Institut des Sciences Appliquées et Économiques - Université libanaise ISAE – Cnam Liban Centre du Liban associé au Conservatoire national des arts et métiers – Paris
‘Information et communication pour l'ingénieur Génie Civil’ –ENG 222
Sujet: Méthodes de réparation et de protection des ouvrages en béton armé.
Candidat : Joseph Abou Zeid Numéro du dossier : 8254 f
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Liste des figures FIGURE 1: JAUGE GINGER CEBTP - FISSUROMETRE DIGITAL ..................................... 11 FIGURE 2: TEST CHOC-ECHO AVEC APPAREIL OLSON'S NDE 360 ............................................. 12 FIGURE 3: SCLEROMETRE A BETON W-M-250 DE JAMES .......................................................... 14 FIGURE 4: DETECTION PAR FENETRES ET RESULTATS ................................................................ 14 FIGURE 5: GRAPHIQUE ENROBAGE-CARBONATATION ............................................................... 16 FIGURE 6: DEGAGEMENT DES ARMATURES SELON LA NORME NF P 95.101 .............................. 17 FIGURE 7: GAUCHE A DROITE; ACIERS DEGAGES, APPLICATION DU MORTIER, FINISSAGE PAR TALOCHE ................................................................................................................................... 18
FIGURE 8: PROJECTION PAR VOIE HUMIDE
FIGURE 9: :
PROJECTION PAR VOIE SECHE
........... 19
FIGURE 10: FEUILLE DE POLYMERE RENFORCE DE FIBRE DE CARBONE ...................................... 22 FIGURE 11: RESUME DES METHODES DE PROTECTIONS ............................................................. 24 FIGURE 12: CATEGORIES DES INHIBITEURS DE CORRSION ......................................................... 26 FIGURE 13: EXEMPLE DE REVETEMENT DES SURFACES .............................................................. 27 FIGURE 14: APPLICATION DE MEMBRANE ELASTOMERE ............................................................ 28 FIGURE 15: LA PROTECTION CATHODIQUE AU MOYEN D'ANODES SACRIFICIELLES OU A COURANT IMPOSE ...................................................................................................................................... 29
FIGURE 16: AVANT & APRES ................................................................................................... 31
Liste des tableaux TABLEAU 1: CLASSIFICATION GENERALE DES PATHOLOGIES LIEES AU BATIMENT (SOURCE J. MONJO- CARRIO, 2011) .............................................................................................................. 8 TABLEAU 2: LE CATALOGUE DES CONDITIONS DE SERVICE ET D’EXPOSITION ........................... 10 TABLEAU 3: RESULTATS D'ESSAIS D'AUSCULTATION SONIQUE DES BETONS-(CEBTP) ............. 13 TABLEAU 4: TABLEAU COMPARATIF (RAGREAGE V/S BETON PROJETE) .................................... 20 TABLEAU 5: COMPARATIF DE LA FIBRE DE CARBON AVEC L'ACIER ........................................... 21 TABLEAU 6: DIFFERENCES PRINCIPALES ENTRE METHODES D'ENTRETIEN ELECTROCHIMIQUES 32 TABLEAU 7: ETUDE COMPARATIVES DES METHODES DE PROTECTION ....................................... 32
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Table de matière INTRODUCTION................................................................................................................................. 5 CHAPITRE 1. NECESSITE DE LA REPARATION DES OUVRAGES ....................................... 6 1. PATHOLOGIE : ALTERATIONS DU BETON ARME ............................................................................ 6 1.1 Carbonatation.......................................................................................................................... 6 1.2 Pénétration des chlorures ........................................................................................................ 6 1.3 Corrosions des armatures ....................................................................................................... 6 1.4 Alcali-réactions ....................................................................................................................... 7 1.5 Autres Défauts apparents ........................................................................................................ 7 1.6 Défauts dus aux sollicitations : ............................................................................................... 7 2. CONCLUSION SUR LES PATHOLOGIES............................................................................................ 8 CHAPITRE 2. EVALUATION ET DIAGNOSTIC ........................................................................... 9 1. LA PROCEDURE DE L'ENQUETE ..................................................................................................... 9 2. CONDITIONS DE SERVICE ET D'EXPOSITIONS .............................................................................. 10 3. TYPES D’INVESTIGATIONS .......................................................................................................... 11 3.1 Investigations non-destructives ............................................................................................. 11 3.2 Investigations destructives ..................................................................................................... 15 4. CONCLUSION SUR LE DIAGNOSTIC .............................................................................................. 16 CHAPITRE 3. REPARATION DES OUVRAGES EN BETON ARME ....................................... 17 1. REPARATION DES SURFACES ....................................................................................................... 17 1.1 Dégagement des armatures ................................................................................................... 17 1.2 Le ragréage ........................................................................................................................... 18 1.3 Le béton projeté ..................................................................................................................... 19 1.4 Etude comparative (Ragréage avec passivant v/s Béton projeté) ......................................... 20 1.5 Tissus de fibres de carbone ................................................................................................... 21 2. CONCLUSION SUR LA REPARATION ............................................................................................. 23 CHAPITRE 4. PROTECTION DES OUVRAGES EN BETON ARME ....................................... 24 1. PROTECTION DES SURFACES ....................................................................................................... 25 1.1 Imprégnation ......................................................................................................................... 25 1.2 Inhibiteurs de corrosion ........................................................................................................ 26 1.3 Les Revêtements..................................................................................................................... 27 1.4 Membrane élastomères .......................................................................................................... 28 2. PROTECTION PAR METHODES ELECTROCHIMIQUES .................................................................... 29 2.1 Protection Cathodique........................................................................................................... 29 2.2 Déchloruration ...................................................................................................................... 30 2.3 Ré-Alcalinisation ................................................................................................................... 31 2.4 En Résumé ............................................................................................................................. 32 CONCLUSION ................................................................................................................................... 33 REFERENCES .................................................................................................................................... 34 ANNEXE A-RENFORCEMENT EN FLEXION PAR TISSUS FIBRE DE CARBONE
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Introduction Durant la conception et la construction d’un ouvrage de génie civil, un des points du cahier des charges est la durée d’utilisation de cet ouvrage. La durabilité des ouvrages en béton armé, qui peut être définie comme étant leur capacité d’assurer la tenue en service prévue, est une caractéristique très importante, car c’est la garantie d’une sécurité et d’une durée de services accrus de ces ouvrages. Cette durabilité assure également une économie considérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessiteront peu ou pas de réparations, économisant ainsi les coûts de réparation, qui peuvent être très élevés, et peuvent même dépasser les coûts initiaux de construction. Ces ouvrages sont nécessaires au bon fonctionnement de notre société, car ce sont des éléments facilitant ou améliorant la vie des usagers. Pour leur permettre de remplir leur rôle, il est nécessaire de s'assurer de leur bon état et dans le cas contraire les réparer. Il est nécessaire que les structures en béton armé soient capables de reprendre les efforts qui leur sont appliqués tout au long de leur vie. Cependant les ouvrages subissent des altérations dues au temps mais aussi à l’environnement auquel ils sont exposés. C'est dans ce contexte que s'inscrit le diagnostic d'un ouvrage. À partir du moment où des pathologies apparaissent, même si cela ne remet pas en cause la stabilité de l'ouvrage, il est important de diagnostiquer d'une part leurs causes, mais leurs ampleurs. Une fois les causes et les pathologies sont diagnostiquées, il est nécessaire de prévoir une réhabilitation pour rétablir les caractéristiques physiques et mécaniques initiales de la structure. En outre, pour retarder ou limiter des pathologies similaires, il est possible de protéger la structure par différents moyens, selon les différentes pathologies et la durée de pérennisation espérée. Ces expertises se développent de plus en plus au Liban, notamment du fait d'une volonté des pouvoirs politiques syndicales et des ingénieurs, de s'inscrire dans un schéma de développement durable, à savoir, pérennisé l'existant et blanchir leur réputation après que plusieurs bâtiments dysfonctions et dangereux sont effondrés sous l’attention des médias dans différentes régions du pays. Ce qui a stimulé la conscience du public et des usagers et les a poussé à consulter des experts ingénieurs pour diagnostiquer leurs propres maisons, bureaux, hôpitaux… Dans cette optique, on tend à concentrer cette recherche sur les méthodes de restauration et de protection des ouvrages en béton armé. Dans un premier temps, on présentera une rémunération et une description restreintes des pathologies du béton les plus courantes, ce qui montrera la nécessité des travaux de réparation, ensuite on discutera la détection des problèmes, en exposant les modes et types d’investigations et diagnostiques de ces pathologies. On s’intéressera le plus aux méthodes de réparation, leurs historiques, techniques d’application, domaines d’action et différents matériaux utilisés. D’ailleurs, ça sera cultivant de comparer quelques méthodes de point de vue efficacité et usage au Liban. Pour finir, on montrera l’importance de protéger les ouvrages contre futures pathologies, et les différentes méthodes et matériaux nécessaires pour assurer cette protection.
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Chapitre 1. Nécessité de la réparation des ouvrages Bien que cette recherche ne porte que sur les points liés aux méthodes de rénovations, il parait utile de décrire brièvement les mécanismes de dégradation du béton armée, la corrosion de ses armatures et quelques défauts apparents.
1. Pathologie : Altérations du béton armé 1.1 Carbonatation Ce phénomène correspond à une réaction chimique induite par la pénétration du dioxyde de carbone CO2 de l’air dans le béton. La réaction chimique établit comprend comme réactifs le CO2 présent dans l'atmosphère en faible proportion, qui se dissout dans l'eau et forme l'acide H2CO3. L’acide réagit avec la portlandite (hydroxydes de Calcium) pour former des carbonates de calcium et de l’eau, selon la formule suivante : (
)
1
La portlandite est essentielle pour maintenir un PH élevé, ce qui protège les armatures du béton armé et empêche la formation de micro-organismes. Et lorsqu’elle n’est plus suffisamment accessible pour réguler le PH, le milieu s’acidifie, permettant ainsi la corrosion des armatures.
1.2 Pénétration des chlorures Les ions chlorures peuvent provenir des constituants du béton: sable, ciment, eau de gâchage. Cependant, l’origine des chlorures est le plus souvent extérieure: l’eau de mer, des sels de déverglaçage. Dans ce cas-là, les ions chlorures pénètrent dans le béton par diffusion ou par absorption capillaire. De très faibles concentrations en chlorures forment le composé FeOOH sur la couche passive, puis les ions instables de FeCl3- consomment les ions hydroxyles présents ce qui conduit à une diminution du PH. La circulation des électrons libérés par la réaction d'oxydation vers les sites cathodiques engendre des piles électrochimiques sur l'armature conduisant à la décomposition de l’acier dans les zones anodiques. Donc au niveau du béton rien n’est visible, et on ne voit au bout d’un certain temps que les conséquences : corrosion des armatures.
1.3 Corrosions des armatures Lors du coulage du béton, l'eau de gâchage réagit avec l'acier et forme une couche protectrice d'hydroxydes de fer [Fe(OH)2] et de calcium [Ca(OH)2]. Ainsi, la solution interstitielle du béton aura un PH élevé, de l'ordre de 13. Si la solution interstitielle ne convient plus à un béton sain, comme dans le cas de la carbonatation et la pénétration des ions chlore, cette couche protectrice disparait. Les produits, oxydes et hydroxydes, des oxydations au niveau de la surface de l’acier s'accumulent, entraînant un gonflement, par suite la fissuration de l'enrobage.
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1.4 Alcali-réactions Le phénomène d’alcali-réaction est le résultat des réactions internes au béton, les alcalins solubles dans la solution interstitielle (oxydes de sodium Na2O et oxyde de potassium K2O) réagissent avec de la silice généralement présente dans les granulats. Les ouvrages les plus exposées à l’humidité sont souvant victime de l’alcali-réaction. La formation d’un gel gonflant provoque, à l’intérieur du béton, des déformations et de microfissures. Les contraintes de ce gonflement engendrent un décollement entre la pâte et les granulats et donc de microfissures, si elles dépassent la résistance en traction du béton, ce qui se traduit en surface par des fissurations suivant la direction des armatures.
1.5 Autres Défauts apparents Défauts dès la construction et leurs origines possibles : Bullage : Coffrage inadapté, vibration inadaptée. Nids de cailloux : Vibration inadaptée, ferraillage dense, hauteur de chute du béton trop élevée. Fuites de laitance : Mauvaise étanchéité des coffrages et des joints. Variations de teinte : Ragréages, impuretés. Pommelages : variation de densité entre gravillons et autre constituants, variations du taux d’hydratation du ciment en surface. Fissures de retrait : retrait différentiel, dessiccation en surface. Défauts dus à l’environnement et leurs origines possibles : Epaufrures : Choc. Recouvrements biologiques : température, humidité, luminosité. Aspect grenu : érosion éolienne, pluies. Défauts de circulation des eaux et leurs origines possibles: Efflorescences : béton poreux soumis à l’humidité. Suintement : mauvaise évacuation des eaux.
1.6 Défauts dus aux sollicitations : Fissures de flexions : Lorsque les armatures sont soumises à des contraintes de tension, elles s'étendent. Le béton autour des barres d'armature est par conséquent soumis à des contraintes de tension. Lorsque la résistance à la traction du béton est atteinte des fissures transversales peuvent apparaître près des barres d'armature. Fissures de cisaillement : 1. Les fissures de cisaillement entre poteau-poutre au niveau des connexions peuvent être causées par un mouvement horizontal (variations de volumes, raccourcissement élastique causés par les forces de post-tension…). 2. Un problème commun des structures post-tension, c'est l’absence de considération des changements de volume des membres, causés par le raccourcissement élastique et plastique. Les colonnes courtes dans les structures de stationnement avec coffrages post-tendus opposés sont des endroits idéaux de soulagement de tension.
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2. Conclusion sur les pathologies Famille Physique
Mécanique
Chimique
Lésions Humidité Saleté Erosion Déformations Fissures Fissures superficielles Détachements Erosion Efflorescence Oxydation Corrosion Organismes Erosion
Types Capillaire/De filtrage/De condensation/Accidentelle/De travaux Par dépôt / Par nettoyage différentiel Météorologique Tassement/Effondrement/Flambement/Gauchissement/Flèche Par charge / Par dilatation - contraction Par support / Par finition Finitions continues / Finitions par éléments Coups / Frottements Sels solubles cristallisés/Réaction chimique avec les sels Oxidation superficielle Oxydation préalable/Immersion/Aération différentielle/Paire galvanique Présence et attaque d'animaux/Présence de plante Pollution
Tableau 1: Classification générale des pathologies liées au bâtiment (Source J. Monjo- Carrio, 2011)
L'étude de ces pathologies constitue une étape majeure dans le processus de la réhabilitation-que nous aborderons en aval- notamment au stade de l'élaboration du diagnostic, étape déterminante dans la définition des interventions à mener sur le bâtiment.
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Chapitre 2. Evaluation et Diagnostic Cette partie présente des renseignements sur le processus d’évaluation de béton dans une structure existante. Une évaluation approfondie et logique de l'état actuel de la structure est la première étape du projet de réparation ou réhabilitation, généralement, à la suite d'un signe visible de détresse.
1. La procédure de l'enquête Les étapes typiques de l'évaluation d'une structure en béton armé sont : 1. Inspection visuelle. 2. Examen des données d'ingénierie : 2.1 Documents de conception et de construction. 2.2 Dossier des opérations et d’entretien précédents. 2.3 Fiche du béton et autres matériaux utilisés. 2.4 Rapports précédents d'inspections périodiques. 3. Enquête : 3.1 Mise en correspondance des diverses carences. 3.2 Suivi. 3.3 Levé conjoint. 3.4 Échantillonnages et essais. 3.5 Essais non destructifs. 3.6 Analyse structurale. 4. Evaluation Finale. 5. Rapport. Les résultats d'une évaluation, en particulier déterminant la cause et l'étendue du problème, sont aussi précis que la compréhension et l'effort appliqué au processus. Un examen superficiel ou une inspection transversale ne produisent pas une évaluation aussi précise qu’une enquête détaillée et approfondie impliquant la cartographie, l'échantillonnage, les essais et les efforts exploratoires nécessaires.
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2. Conditions de service et d'expositions L’évaluation du béton n'est pas limitée aux études de son état physique, ses propriétés mécaniques, sa composition chimique, et ses manifestations extérieures. Souvent, l’origine d'un problème de béton est lié à un état de service ou d'exposition. Le tableau ci-dessous présente certaines des conditions à prendre en considération lors de l'analyse comportement du béton : de Température Haute-Basse
Conditions
Fréquence
Duration Cycles de geldégel Exposition au soleil Protection aux jeunes âges?
Type du problème d'Humidité Chimiques Taux Type: éléments, d'humidité produits… relative Type de contact: Concentration immersion, écoulement état: gazeux, Fréquence liquide, solide Duration
de Chargement Dynamique
Statique
Impact
Fréquence
Vibration
Duration
État: gazeux, liquide, solide Grandeur/Ampleur Fréquence Duration
Tableau 2: Le catalogue des conditions de service et d’exposition
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3. Types d’investigations Deux catégories d’investigations se présentent : les méthodes non destructives et les méthodes destructives.
3.1 Investigations non-destructives Ces méthodes permettent d'analyser la structure sans porter atteinte à son intégrité. Ceci est à privilégier dans différentes structures, tels que les monuments ou bâtiments historiques, où il est difficile de pouvoir prendre des échantillons de la structure pour la caractériser. Ces méthodes sont également en faveur dans le cas où la structure est atteinte et affaibli, l'échantillonnage de ce type de structure pourrait l’affaiblir davantage.
3.1.1 Relevé visuel Toute enquête approfondie commence par un examen visuel des conditions. Les principaux indices de problèmes à distinguer sont : Fissuration et craquelures. Détresse de surface : Effritement, désagrégation, surface alvéolaire, écaillage Fuite d'eau : Humidité de la surface, infiltration ou fuite à travers les joints et les fissures. Mouvements : Déflexion, soulèvement, affaissement. Corrosion de l’acier : Taches de rouille, câbles de post-tension exposés, aciers exposés. Autres indices: Cloquage des membranes et revêtements, accumulation d'eau, décoloration. Ce relevé permettra de : Qualifier les désordres, car chaque type a une origine et des conséquences particulières. Déterminer les caractéristiques d'une pathologie et savoir quelle sorte de traitement sera nécessaire afin d’arrêter le phénomène. Quantifier les désordres, car selon son ampleur, des méthodes de réparation plus ou moins lourdes seront à envisager. Localiser les désordres afin de pouvoir déterminer son origine et ainsi agir à la source du problème. Quelques outils à utiliser pour une enquête visuelle : Appareil photo Mètre Distancemètre Pied à coulisse Fissuromètre
Figure 1: JAUGE GINGER CEBTP - FISSUROMETRE DIGITAL
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3.1.2 Sondage par marteau: Marteler le béton offre une méthode précise et moins cher pour identifier les zones de délamination. En frappant des zones de béton délaminé, le son passe de "ping" plein à un son "puck" creux. Les limites des délaminations peuvent alors être facilement déterminées. Des méthodes de sondage plus productives sont disponibles lorsque vous travaillez avec de grands espaces. Traîner une chaîne réalise le même résultat que le sondage par marteau. Cependant, ces méthodes ne donnent qu’une idée générale des zones de délamination. Par conséquent, ils doivent être utilisés seulement pour l'évaluation générale, pas pour la mise en page détaillées nécessaires à la reconstruction.
3.1.3 Méthode échos-chocs Les développements récents en technologie d'instruments et ordinateur peuvent fournir une méthode fiable pour localiser les vides, les fissures et autres défauts sous la surface du béton. La technique impact-écho est basée sur l'utilisation des ondes de compression générées par choc qui se déplacent à travers la structure et sont réfléchis par les défauts internes et les limites externes vers un récepteur (transducteur). Les signaux reçus sont convertis en un spectre de fréquence et sont affichés sur un écran d'ordinateur. Un logiciel est utilisé pour analyser ces signaux, et fournir une prédiction de la probabilité et de la profondeur des défauts. En effet, compte tenu de la vitesse de l'onde et la période d'arrivée (ou fréquence), les profondeurs de défauts internes ou des limites externes sont calculées. Le système fonctionne rapidement, en environ deux secondes pour traiter chaque lecture.
Figure 2: Test Choc-Echo avec appareil Olson's NDE 360
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3.1.4 Méthode de l’auscultation sonique L'auscultation sonique consiste à mesurer le temps de diffusion d'une impulsion ultrasonore entre un émetteur et un récepteur. L'appareil contenant des matériaux piézoélectriques, transforme l'énergie électrique émise en énergie mécanique ultrasonore, puis il mesure la durée nécessaire à l'onde pour atteindre le récepteur qui la reconvertit en signal électrique. Connaissant la distance entre l'émetteur et le récepteur, la vitesse de l'impulsion peut être déterminée. En général, plus le béton est dense et fort, plus la vitesse de l'impulsion est importante. Ce procédé permet de vérifier l'homogénéité du béton, de détecter les fissures et les vides dans le béton, de contrôler la qualité du béton en comparant les résultats à un béton similaire, de détecter l'état de détérioration du béton, de détecter la profondeur d'une fissure de surface, et de déterminer la résistance à la compression du béton. Pour tester le béton, le contact entre le béton et l'émetteur et le récepteur est réalisé avec un agent de couplage tel qu'une gelée de pétrole. Le tableau suivant donne les résultats d'essais obtenus par le CEBTP sur l'auscultation sonique des bétons : Vitesse de propagation du son
Qualitéestimée du béton
V > 4000 m/s
le béton est de bonne qualité et homogène
3500 < V < 4000 m/s
le béton est de qualité moyenne
3000 < V < 3500 m/s
le béton est de qualité médiocre
V < 3000 m/s
le béton est de mauvaise qualité
Tableau 3: Résultats d'essais d'auscultation sonique des bétons-(CEBTP)
Un autre usage important de cette technique est l'évaluation non destructive des fissures qui sont été remplis avec de l'époxy. Les lectures prises le long de la fissure réparée sont comparées à celles de la section non fissurée. Une fissure bien réparée affiche une vitesse de transit égal à celui de la section non fissuré. De plus, selon l’ASTM, Il existe une corrélation entre la vitesse d'impulsion et la résistance à la compression du béton, généralement ± 20%.
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3.1.5 Le scléromètre L’essai sclérométrique se base sur la proportionnalité entre la dureté et la contraint de compression du béton. Pour mesurer la dureté du béton, un piston à ressort frappe la surface de la structure, provoquant un rebond du mécanisme, et entrainant un index glissant sur une règle. Plus le rebond est important, plus le matériau est dur. Selon l’ASTM, Il convient de réaliser dix essais sur l'élément, afin d'obtenir un résultat cohérent. L'indice sclérométrique Is de l'élément testé est la médiane des 10 mesures effectuées, par report sur un abaque considéré. À savoir, les résultats peuvent être affectés par différents paramètres, tels que la résistance à la compression estimée de l'élément, l'inclinaison du scléromètre ou l'homogénéité du béton.
Figure 3: Scléromètre à béton W-M-250 de James
3.1.6 Le relevé du ferraillage Le relevé du ferraillage peut se faire à l'aide d'un pachomètre de type Ferro scan. Cet appareil est un système de détection portable pour un examen d'armatures non destructif. Il permet de déterminer le positon exact des barres d'armatures, de mesurer l'enrobage et de donner une indication du diamètre de l'armature. L’appareil émet un flux magnétique, le pachomètre détecte la diffusion de ce champ et la variation électromagnétique qui est causée par la présence des armatures. Le diamètre des armatures est déterminé par le fait que plus le diamètre d’une armature augmente, plus le signal reçu par l’appareil sera important. Alors que, plus l'épaisseur d'enrobage sera importante, plus le signal s’affaiblit. Pour cela, la profondeur de mesure du pachomètre est limitée (généralement de l'ordre de 10 à 15 centimètres selon le type de bétons et le type d'armatures).
Figure 4: détection par fenêtres et résultats
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3.2 Investigations destructives On a recours aux investigations destructives pour effectuer un prélèvement de matériau pour connaitre ses caractéristiques géométriques, mécaniques et chimiques, ou bien pour avoir accès à des éléments internes ou sous-jacents à la structure. Cela permet aussi de connaître leur état altéré en profondeur et l'ampleur des pathologies.
3.2.1 Le Potentiel de corrosion Lorsque l'acier se corrode dans le béton, il existe une différence de potentiel entre la zone de demi-pile anode et la zone de demi-pile cathode dans acier. Cette différence peut être détectée en plaçant la demi-pile de sulfate de cuivre et de cuivre sur la surface du béton et mesurer les différences de potentiel entre l'acier d'armature et une éponge mouillée sur la surface du béton. La cellule de référence relie la surface du béton à un voltmètre à haute impédance, qui est également connecté électriquement à la nappe de renforcement en acier. Le voltmètre lit alors la différence de potentiel à l'emplacement d'essai. Selon la norme ASTM C876-91 le potentiel mesuré indique une probabilité de corrosion. En utilisant une électrode Cu/CuSO4 on a: Si E > - 200 mV (probabilité de corrosion inférieure à 10%) Si -350 < E < -200 mV (corrosion possible environ 50%) Si E < - 350 mV (corrosion très probable, supérieur à 50% peut atteindre 90%) Cependant, différents paramètres peuvent affectent les résultats obtenus: L'hygrométrie de surface, peut diminuer la mesure de 100 mV. Les milieux agressifs comme la présence de chlorures, augmente la conductivité, on mesure des potentiels plus négatifs. La carbonatation mesure des potentiels plus positifs Ces méthodes ne peuvent pas détecter la corrosion des tendons de post-tension, ils ne peuvent non plus détecter la corrosion quand l'acier d'armature est discontinu du voltmètre. Cependant, les mesures de demi-cellule sont souvent utiles car ils sont faciles à réaliser, et les résultats peuvent être livrés rapidement à des coûts relativement faibles.
3.2.2 Test au contenu de chlorure L'évaluation de la teneur en ions chlorure est effectué en prélevant un échantillon de béton de la structure, soit par tirage au béton pulvérisé à l'aide d'un marteau rotatif à percussion (de préférence électrique), ou en prenant des carottes et en pulvérisant ensuite le béton dans le laboratoire. Le matériau pulvérisé est collecté et stocké dans un récipient propre, le trou est nettoyé sous vide, les échantillons pulvérisés sont analysées en utilisant un procédé chimique La séparation des chlorures, existant dès la coulée, des chlorures qui ont pénétrer dans la structure, peut être faite en comparant la teneur en chlorure à différents niveaux dans le membre suspect. Les chlorures existants dès la coulée auront généralement des teneurs en chlorures similaires à travers le membre, tandis que les chlorures qui sont entrés dans le béton après la coulée auront des concentrations plus élevées à la surface et plus faibles à l’intérieur de l’élément. 15 | P a g e
3.2.3 Test à la carbonatation Pour déterminer la profondeur de la carbonatation, une surface de béton frais doit être exposée. Cela peut être fait par carottage de la surface et diviser la carotte avec un marteau et un burin. La position de la limite de carbonatation est mesurée par pulvérisation de la surface du béton avec un indicateur à base acide qui change de couleur à un pH d'environ 10, ce qui indique la limite entre la partie carbonaté et la zone non carbonatée. L'indicateur le plus couramment utilisé à cette fin est une solution de phénolphtaléine, qui colore le béton d'un rouge intense (rose) à des valeurs de pH supérieur à 10 et incolore à des valeurs de pH inférieur à 10. Il sera intéressant de comparer les mesures de profondeur de carbonatation avec l’enrobage donné par un pachomètre. Après plusieurs mesures, on obtenir une telle courbe:
Figure 5: Graphique enrobage-carbonatation
Le pourcentage des armatures non protégées est l’abscisse du point d'intersection de la courbe d'enrobage avec celle de carbonatation.
4. Conclusion sur le diagnostic On se permet de conclure l’importance de l’étape diagnostic grâce à la valeur des données qu’on peut récupérer par les méthodes énumérées ci-dessus. Mais surtout, c’est l'étape qui permettra l’implémentation des méthodes de réparation les plus convenables et l'évaluation des causes de ces problèmes. Ces causes peuvent être tout simplement le vieillissement naturel de la structure, mais cela peut aussi être à cause de l'environnement alentours. Afin de conserver les réparations et les rendre durables, il est nécessaire de réaliser des travaux de protection adaptés, pour d'éviter l'apparition rapide de nouvelles pathologies semblables.
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Chapitre 3. Réparation des ouvrages en béton armé Suite à un propre diagnostic, les procédés de réparation d'un ouvrage ne viennent pas seulement ramener les sections d'origine de l'acier et du béton, mais aussi rétablir les caractéristiques mécaniques des différents éléments concernés. C'est-à-dire remettre la possibilité à la structure de reprendre au mieux les efforts qui lui sont appliqués.
1. Réparation des surfaces 1.1 Dégagement des armatures La préparation des surfaces à réparer est très importante pour la longueur de vie des réparations. Il convient dans un premier temps de dégager toutes les zones de faible cohésion. S'il y a corrosion des armatures, il est important de dégager les aciers corrodés pour arriver à une zone saine apparaisse ; plusieurs techniques sont valables pour vérifier qu’on atteint des zones sous corrosion (burinage, repiquage, bouchardage, jet d’eau, sablage). Pour être sûr d’une bonne réparation, il est d'usage d'obtenir un dégagement comme le montre le schéma suivant selon AFNOR :
Figure 6: Dégagement des armatures selon la norme NF P 95.101
Il faut ensuite nettoyer la surface du béton afin d'enlever toute trace de poussière et souillure. Si la perte de section de l'acier est très élevée, il est alors nécessaire de remplacer l'armature ; par scellement ou soudure. Il est important qu'après cette opération, de respecter la section d’armatures (au moins égale à la section initiale), les longueurs d'ancrage et de recouvrement, et les armatures de couture. Pour limiter les risques d'apparition de la corrosion, une protection immédiate des armatures, par un produit convenablement choisi, est nécessaire surtout si l’enrobage final ne pourra pas être de la même valeur prévue dans les règlements. Il est possible, après cette étape, de commencer la réparation.
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1.2 Le ragréage Le ragréage est une méthode de réparation locale, qui consiste à rétablir manuellement l’enrobage des armatures à l'aide d'un mortier de réparation possédant des propriétés qu’on verra plus loin. Afin de limiter la réapparition de corrosion dans les zones réparées on choisit de mélanger des inhibiteurs de corrosion dans la formulation de ce mortier.
1.2.1 Mode opératoire Selon « Weber » (une entreprise de solutions pour la construction et la rénovation) 1. Humidifier abondamment les parties à réparer. Laisser ressuyer, le béton doit être humide mais non ruisselant 2. Pour une bonne adhérence, appliquer le mortier en le serrant fortement sur tout le pourtour de la zone à réparer. 3. L’application se fait par passes de couches successives qui varient d’épaisseurs selon les propriétés du produits choisit entre 2 et 100 mm (indiqués par le fournisseur) 4. Dès raidissement du mortier, réaliser la finition à l’aide d’une taloche polystyrène ou d’une taloche éponge
Figure 7: Gauche à droite; Aciers dégagés, Application du mortier, Finissage par taloche
1.2.2 Caractéristiques des matériaux Le mortier utilisé doit avoir les caractéristiques suivantes : Tenue verticale sans coffrage Montée en résistance rapide et de résistance mécanique supérieure au béton support Adhérence supérieure ou égale à la cohésion du support Imperméabilité à l'eau et aux agents agressifs Coefficient de dilatation thermique et de module d'élasticité équivalente au béton support Bonne protection des aciers Les produits doivent être conformes à la norme NF P 18-840 ou être admis à la marque « NF Produits spéciaux destinés aux constructions en béton hydraulique ».
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1.3 Le béton projeté Lorsque les surfaces de béton à réparer sont importantes, la méthode du béton projeté est une option souvent utilisée. Puisque ce type de réparation est relativement rapide à mettre en œuvre, mais nécessite du matériel particulier.
1.3.1 Technique de projection Projeté avec une force assez importante, le béton se place et se compacte au même instant, ce qui le diffère du béton conventionnellement coulé et ensuite vibré. Ce procédé permet de produire un béton plus dense, homogène et imperméable, ayant une surépaisseur moins poreuse, plus durable et peu sensible aux attaques chimiques. La résistance en compression du béton projeté a, selon la norme NBN EN 14487-1, un minimum de 40 Mpa. Un mélange soigneusement réalisé, permet l'application de ce béton sur toutes les surface même les surfaces verticales et en surplomb. Il existe principalement deux techniques de projection du béton suivant le moment d'introduction de l'eau de gâchage dans la chaine. En projetant par voie humide, le béton gâché est pompé jusqu'à la lance, alors que par voie sèche le mélange de ciment et de granulats, sans l'eau, est propulsé par de l'air comprimé, l'eau s’ajoute en bout de lance. Différentes méthodes vont présenter de différents résultats. Par voie sèche, le rapport E/C est évidement plus faible, on obtiendra alors une résistance plus élevée que par voie humide. Mais on aura un dégagement de poussière plus important et un risque de détérioration d'un support fragile.
Figure 8: projection par voie humide
Figure 9: projection par voie sèche
Avantage : Ici Le contrôle de la qualité est simple, puisque l'on utilise un béton conventionnel (le dosage des constituants du mélange est connu) Désavantage : Ici le procédé ne peut être arrêté, car le mélange eau-ciment est préalable.
Avantages : Ce procédé peut être arrêté et continué à tout moment durant les travaux. En effet, le contact ciment-eau ne se fait qu’à la lance, il n’y a aucune prise possible par avant si la production du béton est interrompue. Des résistances élevées sont facilement obtenues puisqu’il permet d’avoir de faibles rapports eauliant. Désavantage : Le dosage de l’eau dans le mélange se fait directement à la lance, par le lancier, ce qui complique le contrôle de la qualité. 19 | P a g e
1.3.2 Mode opératoire Le mode opératoire doit être conforme aux normes (NF P 95 102, NF EN 934-2) et aux recommandations du Fascicule n°3 du STRRES et de l’ASQUAPRO. La mise en œuvre se fait à l'aide d'une machine à projeter qui est transporté à travers un boyau et projeté pneumatiquement à très grande vitesse sur une surface. L’air expulsé et le béton compacté, par la puissance de projection et l’impact sur la surface, permettent au matériau de se supporter sans affaissement, même sur une surface en surplomb. Tout comme pour la méthode de réparation par ragréage, il est nécessaire de dégager les armatures en suivant les descriptions de la partie 1 de ce chapitre. Il est possible d'appliquer un passivant (par brossage, par application au pinceau, etc.) sur les armatures réparées pour diminuer les risques de réapparition de la corrosion. Cette application peut se faire dans le cas du béton projeté par voie humide, mais n’est pas possible lors de la projection par voie sèche, parce que la protection serait abimée.
1.3.3 Matériaux utilisés Dans ce sens, les caractéristiques des matériaux de cette technique sont similaires à ceux du mortier du ragréage. Les produits doivent être conformes à la norme NF P 18-840 ou être admis à la marque « NF Produits spéciaux destinés aux constructions en béton hydraulique ».
1.4 Etude comparative (Ragréage avec passivant v/s Béton projeté)2 Remplacement du béton par ragréage avec passivant Avantages Inconvénients
Contraintes phase travaux
Durée de vie estimée
Petites destructions localisées de béton, pas de risque de déstabilisation de la structure. Adapté aux petites surfaces. Beaucoup de main d'œuvre nécessaire. Délais plus long. Nécessite un revêtement imperméabilisant. Bien éliminer toutes les traces de corrosion des aciers et bien les passiver sur l'ensemble de la zone de désordre et non pas seulement au droit de l'épaufrure sous peine de corrosion accentuée. Temps de carbonatation/détérioration du nouveau béton. Limité par rapport à la présence de chlorures. Améliorée si protection complémentaire.
Remplacement du béton par béton projeté
Mise en place du mortier de réparation plus rapide. Béton moins poreux, donc moins sensible aux chlorures. Adapté aux grandes surfaces. Risque de déstabilisation suite à une enlevée importante du béton. Surcharges possibles => recalcule de la structure. Pas adapté aux petites surfaces. Bien éliminer toutes les traces de corrosion des aciers et bien les passiver sur l'ensemble de la zone de désordre et non pas seulement au droit de l'épaufrure sous peine de corrosion accentuée. Temps de carbonatation/détérioration du nouveau béton. Limité par rapport à la présence de chlorures. Améliorée si protection complémentaire.
Tableau 4: Tableau comparatif (Ragréage v/s Béton projeté)
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1.5 Tissus de fibres de carbone Les matériaux composites constitués de fibres dans une résine polymère, également connu sous le nom de polymères renforcés de fibres (PRF), ont apparue comme une alternative aux matériaux et techniques traditionnelles.
1.5.1 Matériaux Le renforcement par des PRF-carbones peut être appliqué sur différents types de structures tels que le béton armé, le bois, les structures métalliques. Propriétés Densité
Contrainte de rupture Module Limite d'elasticité Allongement à la rupture Contrainte de rupture Module
Contrainte de rupture Module Limite d'elasticité Allongement à la rupture
Fibre de Carbone Aciers Torayca H.R. T 300/T 300J/T 700SC Composites carbone E 235 HR 1.75 à 1.80 1.53 7.85 7.85 Propriétés mécaniques (sens longitudial) Traction Mpa 3530 à 4900 1760 à >2500 315 1860 Gpa 230 125 à 165 210 210 Mpa 3530 à 4900 1760 à >2500 235 1600 % 1.5 à 2.1 1.1 à 1.9 23 3 à 7 Compression Mpa 1370 à 1570 315 1860 Gpa 125 à 165 210 210 Propriétés mécaniques (sens transversal Traction Mpa 80 315 Gpa 7.8 à 8.8 210 Mpa 65 à 80 235 % 0.9 à 1.1 23 -
Unité
Tableau 5: Comparatif de la fibre de carbone avec l'acier
Le tableau suivant montre les différentes propriétés mécaniques et physiques des fibres de carbone et des aciers usuelles. Les PRF sont légers, non corrosif, et présentent une résistance élevée à la traction. L'intérêt de leur utilisation se trouve dans : Leur faible densité. Leurs propriétés mécaniques longitudinales. L'absence de corrosion. Leur bonne tenue à la fatigue. Leur facilité de manipulation, en outre, ces matériaux sont facilement disponibles sous plusieurs formes. Les principaux inconvénients des PRF sont les suivants : Une anisotropie marquée. Un comportement fragile à la rupture. Un prix élevé comparé à l'acier.
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1.5.2 Mode opératoire Cette technique est intéressante dans le cas de perte de section d'acier importante, et quand la structure subit un ajout de charges par rapport à ce qu'elle peut supporter. Cette méthode consiste à coller des bandes de toile de fibres de carbone aux surfaces déficientes. Les étapes d’applications suivantes, selon « ASLAN FRP i», sont nécessaires : 1. Une préparation de la surface par jet de sable ou de l’eau doit être effectuée pour exposer les surfaces des agrégats fins. Il existe des normes et de recommandations pour la préparation de la surface tel que : ACI 546R et ICRI 0370. 2. Effectuer des tests d’arrachements (un procédé, à proximité de la surface, dans lequel un disque circulaire en acier est collé à la surface du béton avec une résine époxy ou polyester. La force nécessaire pour tirer de ce disque à partir de la surface, avec une couche de béton fixé, est mesurée). 3. Mesurer la régularité ou la planéité de la surface préparée. Une surface inégale se traduira par pelage prématuré du stratifié. Ceci est mesuré en plaçant une règle droite contre la surface préparée. Les zones irrégulières doivent être portées avec un mortier de nivellement ou un mastic. 4. Avant d'appliquer l'adhésif structurel au tissu CFRP, le côté sablé ou rendue rugueuse du stratifié est essuyé avec de l'acétone ou un autre solvant jusqu'à ce que tout résidu en excès est retiré de la plaque de carbone. 5. Un adhésif structurel est appliqué à la fois au carbone et à la surface du béton. 6. Le tissu est soigneusement positionné et pressé en place en utilisant un rouleau en caoutchouc dur pour obtenir une épaisseur de ligne de liaison entre 2mm à 3mm. L’adhésif en excès est ensuite essuyé sur les côtés avant qu'il puisse durcir. 7. Pour faciliter l'inspection de contrôle de qualité, des plaques de test adjacentes à la zone en cours de renforcement doivent être préparés simultanément à chacune des opérations ci-dessus. Un test d’arrachement peut alors être effectué pour valider une installation correcte.
Figure 10: Feuille de polymère renforcé de fibre de carbone
i
Part de Hughes Brothers, Inc. un fabricant et distributeur de matériaux de haute qualité depuis 1921.
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2. Conclusion sur la réparation On a vu les principales méthodes de réparation d'un ouvrage en béton armé, mais n’importe qu’elle méthode est utilisées, le but est de rendre les sections d'acier et de béton initial ou de satisfaire cette condition par l’ajout d'un autre matériau. On cherche à ce que la structure puisse reprendre les charges qui lui sont appliquées et même un supplément de charge si c’est nécessaire pour que l'ouvrage réponde à l'évolution des besoins des propriétaires.
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Chapitre 4. Protection des ouvrages en béton armé Une fois diagnostiqué puis réparé, il est utile de prévoir une protection de l’ouvrage afin de rendre durables les réparations pour éviter une réapparition rapide de nouvelles pathologies semblables. Le schéma suivant recense les principales catégories de méthodes existantes :
Figure 11: Résumé des méthodes de protections
Ces méthodes permet soit de ramener au béton ces caractéristiques mécaniques et chimiques initiales, soit de le protéger contre les attaques structure. Dans le but de rallonger sa durée de vie ainsi qu’augmenter ses capacités à absorber ces attaques et la vieillesse. Dans un premier temps, le procédé de protection le plus logique sera d’éviter ces problèmes en supprimant les sources de ceux-ci, et en renforçant le matériau faible ; modifier les conditions de service et d’exposition, Améliorer les propriétés physiques des matériaux de réparation ou du béton initial (figure 11, les deux premières méthodes). Puisqu’on est en face des ouvrages déjà construits puis réparés, on ne s’intéressera pas dans cette partie à ces méthodes de protection nécessitantes une analyse en stade de préconstruction ; mais on se dirigera vers des procédés de protection des surfaces et à la modification du comportement électrochimique des matériaux ; en stade de post-construction et souvent de post-réparation.
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1. Protection des surfaces Un grand nombre de méthodes de protection en usage utilisent une barrière qui isole ou modifie l'état de service agressif. L’isolation et modification de l'état de service permet au béton protégé de durer plus longtemps et/ou d’améliorer sa performance. Les barrières appliquées sont une vaste catégorie de revêtements, produits d'étanchéité, membranes, scellement des joints et des techniques d’injection de coulis.
1.1 Imprégnation C'est le traitement d'une surface de béton avec un matériau qui pénètre ultérieurement dans les pores de la structure. Il y a trois types de base: hydrophobe, de remplissage partiel et de remplissage complet. Chaque type modifie le comportement de la surface y compris la transmission de vapeur d'humidité et l'absorption du liquide. L'imprégnation des surfaces en béton est une technique courante qui est généralement utilisé pour contrôler le flux de l'humidité entrant et sortant de béton. Les techniques d'imprégnation nécessitent une surface propre capable d'absorber des solutions avec des pores et capillaires ouverts, qui peuvent être obtenus par décapage abrasif, hydro décapage ou grenaillage des surfaces en béton. L’imperméabilité des surfaces en béton peut être réalisée en revêtant les surfaces des pores avec un composé hydrophobe. Les silanes et siloxanes3 sont les plus communs. Lorsque ces composés sont absorbés dans la structure des pores (mais ne les remplient pas), une réaction chimique se produit entre les scellants et le silicate de la structure en béton. Ils produisent une barrière efficace contre l'infiltration de l'eau et des agents agressifs, tout en permettant à la vapeur d'eau de passer. Un autre procédé d'imprégnation de la surface de béton comporte des composés qui sont absorbées dans la structure de pores et remplient, ou partiellement remplient, les passages dans le béton. Il existe deux types de matériaux utilisés: d'une part, ceux qui réagissent avec les constituants de la matrice de ciment (tels que le silicate de sodium), et d'autre part, ceux qui réagissent et durcissent seuls (comme l’époxy, méthacrylate et polyester). Les avantages offerts par ces enduits protecteurs sont les suivants: Résistance au gel-dégel augmenté. Réduction de l'infiltration de l'eau et des produits chimiques agressifs, tels que les chlorures.
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1.2 Inhibiteurs de corrosion Les inhibiteurs de corrosion sont des produits chimiques permettant de réduire l’exposition à la corrosion, même tout le processus de corrosion entièrement.4 En général, le mécanisme de l'inhibiteur est un ou plusieurs des trois qui sont citées cidessous: l'inhibiteur est chimiquement adsorbé sur la surface du métal et formes un film mince de protection à effet inhibiteur ou par combinaison entre les ions d'inhibiteur et de la surface métallique. l'inhibiteur entraîne une formation d'un film de protection d'oxyde de métal. l'inhibiteur réagit avec un composant corrosif potentiel présent dans les milieux aqueux et le produit est un complexe.5,6 Il existe différentes catégories d'inhibiteurs de corrosion. Il est possible de les classifier selon leur mode d'action, à savoir :
Figure 12: Catégories des inhibiteurs de corrsion
Les inhibiteurs anodiques réagissent avec les cations métalliques produits sur l'anode, formant généralement, des hydroxydes insolubles qui se déposent sur la surface métallique en tant que film insoluble et imperméable à l'ion métallique. De l'hydrolyse des inhibiteurs se traduit par des ions OH-. Les chromates, nitrates, tungstates, molybdates sont des exemples d’inhibiteurs anodiques.6 Les inhibiteurs cathodiques agissent soit en ralentissant la réaction cathodique ellemême ou en formant une barrière de précipités insolubles sur le métal. Ainsi, limitent le contact métallique avec l'environnement, ce qui empêche l'apparition de la réaction de corrosion. Pour cette raison, l'inhibiteur cathodique est indépendant de la concentration, par conséquent, ils sont beaucoup plus sûrs que l'inhibiteur anodique. 7,8 Les composés organiques utilisés comme inhibiteurs, agissent comme cathodiques, anodiques ou comme inhibiteurs cathodiques et anodiques en même temps. Néanmoins, d'une manière générale, agissent par l'intermédiaire d'un processus d'adsorption de surface, désignée comme une filmogène. Ces inhibiteurs accumulent un film protecteur hydrophobe par adsorption des molécules sur la surface métallique, ce qui fournit une barrière à la dissolution du métal dans l'électrolyte. Ils doivent être solubles ou dispersibles dans le milieu environnant le métal.
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1.3 Les Revêtements Les revêtements protecteurs de béton comprennent une grande variété de produits chimiques. Des formulations sont disponibles pour répondre à diverses conditions d'exposition et de services.Pour développer une spécification de la méthode et du matériel, les étapes suivantes doivent être suivies:
Déterminer les objectifs de protection Déterminer les conditions de service et d'exposition Déterminer l’environnement d'installation Sélectionner les matériaux / systèmes qui répondent le mieux aux conditions de service, d'exposition, et d'installation Déterminer la préparation de surface nécessaire pour recevoir les matériaux de réparation sélectionnés Déterminer la gamme de conditions exigées par les matériaux choisis Déterminer (en fonction des conditions de surface prévue) le nombre de couches ou taux d'application nécessaires pour atteindre le niveau de continuité. Déterminer les exigences d’un prétraitement. Une mise à niveau peut être nécessaire pour fournir à une surface rugueuse une apparence lisse après qu’un revêtement est installé. Déterminer tout traitement de fissure requise Déterminer les méthodes d'assurance qualité pour la préparation de surface, adhérence, épaisseur et qualité des matériaux
Il est important que ces matériaux aient une élasticité suffisante pour résister aux fissures.
Figure 13: exemple de revêtement des surfaces
Les méthodes d'application de ces revêtements sont définies par le DTU 42.1. Les produits doivent satisfaire à la norme NF 84-403 (maintien de l'aspect, imperméabilité, isolation thermique).
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1.4 Membrane élastomères Les membranes élastomères sont des liquides thermodurcissables, liquides de polymère durci ou de matériaux effectués. Leur fonction principale est de minimiser l'absorption de liquide par le béton. Les membranes élastomères diffèrent des revêtements en raison de la capacité de la membrane à se déplacer et de fléchir sans rupture. Leurs applications typiques comprennent: les ponts de circulation, toitures terrasses, et étanchéité sous-sol. Les membranes élastomères sont conçues pour protéger le béton contre l'intrusion de liquide dans ou à travers les fissures de béton, et, dans certains cas, les joints. Les membranes typiques utilisées sont des matériaux en feuille ou liquides. Ces produits en feuilles comprennent: l'asphalte caoutchouté lié à du polyéthylène, PVC, néoprène, Hypalon, et butyle. Les membranes liquides appliquées in situ consistent à introduire des matières qui sont soit thermodurcissables, soit durcissables par humidité ou par réaction chimique. Après traitement, ces matériaux restent élastomère et forment une surface transparente. Des systèmes spécifiques comprennent: de l’asphalte appliquée à chaud, du néoprène et du polyuréthane. La capacité d'un matériau ou d'un système particulier à s’allongé dans les conditions de service et d'exposition prévue est une fonction de: Capacité d'allongement. Épaisseur de la membrane. Certaines membranes élastomères sont conçues pour accepter des piétons et des véhicules. Quelques systèmes comprennent un revêtement de circulation, qui est placé sur la membrane élastomère.
Figure 14: application de membrane élastomère
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2. Protection par méthodes électrochimiques Cette partie présente les principales techniques électrochimiques utilisées pour réduire la corrosion dans les structures de béton armé : Protection cathodique(PC), Déchlorurations(DC), Ré-alcalinisation(RA). Toutes les méthodes de maintenance électrochimiques ont en générale le même principe et méthode d’application pratique. Les principales différences sont la quantité de courant circulant à travers le béton et la durée du traitement. Par l'intermédiaire d'un conducteur externe, dite anode; un courant continu est dirigé à travers le béton de l'armature qui est ainsi amenée à agir en tant que cathode dans une cellule électrochimique. Le résultat final de la circulation du courant est d’arrêter la corrosion par repassivation des armatures par polarisation de l'armature à un potentiel plus négatif(PC), ou en enlevant les ions agressifs (DC), ou en rétablissant l'alcalinité de la solution interstitielle(RA).
2.1 Protection Cathodique La protection cathodique est basée sur le changement du potentiel de l'acier à des valeurs plus négatives, pour que le métal agit comme cathode et ainsi de réduire le courant de corrosion à des valeurs négligeables. Avantages: Dans l’application de la protection cathodique, deux méthodes principales sont utilisées, à savoir: 1. anodes sacrificielles : un métal très actif (anode) est relié à la barre d'armature et placé dans le même électrolyte. L'anode polarise le métal vers des valeurs cathodiques. 2. courant imposé : une anode inerte est raccordée à l'armature et un courant continu est appliqué pour décaler le potentiel vers des valeurs cathodiques Les procédés cathodiques produisent une alcalinité sur la surface des armatures. A l'intérieur du béton, le courant est transporté par les ions proportionnellement à leur concentration. Les ions positifs se déplacent dans la même direction que le courant (de l'anode à la cathode), et les ions négatifs dans la direction opposée. Ainsi dans un béton contaminé par des chlorures, la circulation du courant présente une réduction de la teneur en chlorure à la surface des armatures ou une réduction de la pénétration de chlorure dans le béton. Ces effets sont avantageux dans le sens où ils favorisent une augmentation du rapport OH- / Cl- et favorisent ainsi les phénomènes de passivation. C’est pourquoi cette méthode est particulièrement adaptée lorsque la corrosion est causée par la contamination de chlorure.
Figure 15: La protection cathodique au moyen d'anodes sacrificielles ou à courant imposé
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Désavantages: La perte d'adhérence entre le béton et renforts9 : À des potentiels très négatifs, lorsque des densités de courant élevées sont appliquées, une perte d'adhérence entre les barres d'armature et le béton peut se produire. De nombreuses incertitudes demeurent quant à ce phénomène. Pour une polarisation à long terme, un potentiel limite inférieure est indiquée (-1,1 V par rapport à l'électrode au calomel saturée10).
Fragilisation par l'hydrogène11 L'effet potentiellement néfaste le plus important est la fragilisation de l'acier par l'hydrogène atomique généré en réaction cathodique. Certains types d'aciers à haute résistance utilisés dans la construction précontrainte peuvent être soumis à la fragilisation par l'hydrogène si leur potentiel a des valeurs à laquelle le dégagement d'hydrogène peut avoir lieu. Dans les milieux alcalins (pH> l2), avec renforcement protection cathodique, le dégagement d'hydrogène ne peut se produire à potentiel plus négatif que -950 mV environ (par rapport à ECS). Par conséquent, pour éviter le risque de fragilisation par l'hydrogène de l'acier sensibles qu'il convient de fixer un potentiel de limite inférieure de -900 mV (par rapport à ECS).
2.2 Déchloruration La déchloruration est un procédé simple de sorte que les ions chlorure sont éliminés du béton contaminé par migration. Une anode noyée dans un support d'électrolyte, solution aqueuse, est fixé à la surface du béton. L'anode est de préférence un maillage de fil de titane ou une maille d’acier d’armature. L'anode et l'acier d'armature dans le béton (cathode) sont connectés aux deux bornes d'un courant continu tel que l'anode est chargée positivement et l'armature est négative. Avantages: Les ions chlorure étant ions négatifs migrent vers l'électrode positive, l'anode. Comme c’est externe au béton, les ions chlorure quittent le béton et se concentrent autour de l'anode. Ainsi, la teneur en chlorures du béton est réduite, en particulier sur et autour de l'acier d'armature chargé négativement où le béton à toutes fins pratiques devient libre de chlorures. En même temps, la production électrolytique d'ions hydroxyle au niveau de la surface des armatures résulte en un pH élevé généré autour de l'acier. Par conséquent, lorsque le processus est terminé et l'installation est retiré, l'acier d'armature sera libre des chlorures et le béton sera fortement alcalin. Il en résulte une repassivation de l'acier d'armature. La déchlorurations peut être adapté pour les structures ayant une valeur architecturale telles que les monuments, puisque la surface du béton reste inchangé après le traitement. Désavantages: Lors de l'extraction de chlorure, des ions hydroxyle sont formés autour de l'acier d'armature, en augmentant localement le pH et les ions de sodium et de potassium s’enrichissent dans l'acier. Ces changements pourraient stimuler une alcali-réaction. Pour l'application pratique de la déchloruration sur les structures avec des granulats potentiellement sensibles, il est recommandé d'évaluer la réactivité potentielle de l'agrégat en considérant sa source géologique et d’étudier chimiquement le béton. Si une expansion nuisible se trouve dans les tests représentatifs, la déchloruration ne doit pas être recommandée.
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2.3 Ré-Alcalinisation La ré-alcalinisation est une méthode pour arrêter la corrosion des armatures induite par carbonatation. Le pH du béton autour de l'acier augmente, et la passivation de la solution interstitielle du béton est restaurée. La technique consiste à faire passer un courant à travers le béton à l'armature par un treillis appliqué à l'extérieur de l'anode qui est attaché à la surface du béton et noyé dans un électrolyte. Dans l'application classique, une pâte de cellulose pulvérisée avec une solution molaire de carbonate de sodium est utilisée comme électrolyte. L'électrode extérieure (anode) et l'armature agissant comme cathode à l'intérieur sont connectées à une source de courant continu. Pendant le traitement, l'électrolyte est transporté dans le béton carbonaté. Le mécanisme de transport dominant peut varier, mais l'électroosmose12ii et la migration des ions sont les deux principaux contributeurs. Simultanément, l'électrolyse à la surface de l'acier produit un environnement très alcalin. Avantages: La ré-alcalinisation du béton est un traitement électrochimique non permanent, donc, le traitement se termine après l-2 semaines appliquant un courant de l'ordre de 0,8 à 2 A/m2. Après le traitement, l'anode doit être enlevée, et la surface du béton ne se modifie pas. C’est pourquoi la ré-alcalinisation est particulièrement adapté pour les structures avec des valeurs architecturales telles que les monuments. Désavantages: Alcali-réaction La teneur accrue en ions alcalins et la production d'ions hydroxyles puissent théoriquement causer une Alcali-réaction accélérée pour un béton avec granulats réactifs. D’autre part il a été conclu par les experts que le béton alcalinisé s’étend comme le béton de référence, puisque le traitement n'a pas augmenté la concentration d'hydroxyle jusqu’au seuil d'expansion. La perte d'adhérence entre le béton et renforts : Le courant circulant pendant la ré-alcalinisation augmente les concentrations des ions alcalins et hydroxyles dans l'eau des pores à la l'interface béton/armatures. Cela pourrait théoriquement modifier la structure des pores et la force d'adhérence. En revanche, la charge totale circulante est beaucoup plus faible que celle de la déchloruration (de l'ordre de 100 à 200 Ah/m2) ce qui est beaucoup plus faible que celles rapportées pour provoquer une perte d'adhérence.13
Figure 16: Avant & Après ii
Lorsque les champs électriques sont appliqués dans des capillaires ou des micro-canaux, le mouvement fluide observée ayant une vitesse linéairement proportionnelle au champ électrique appliqué est appelé électro-osmose.
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2.4 En Résumé Méthode
Durée
Densité du courant
Protection cathodique
Permanente
10 mA/m2
Ordre de quelques jours à semaines Ordre de quelques semaines à mois
1 mA/m2
Déchlorurations Ré-alcalinisation
1 mA/m2
Tableau 6: Différences principales entre méthodes d'entretien électrochimiques
Une étude comparative entre les méthodes de protections les plus utilisés14 :
Tableau 7: Etude comparatives des methodes de protection
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Conclusion Le béton armé est un des matériaux de construction les plus couramment utilisés. Toutefois, en raison de changements dans les spécifications de conception, le vieillissement, les conditions environnantes, etc. - il y a un besoin de procédures pour la réparation des superstructures et des infrastructures en béton (armé ou précontraint). Ainsi, l'objectif global de ce rapport de recherche était d'introduire les méthodes les plus communes, rentables, et novatrices de réparation et de protection. Plusieurs algorithmes peuvent être suivies, en ce qui concerne les méthodes de diagnostiques, les procédés de réparation et les techniques de protection. Après tout, on cherche toujours à redonner à la structure sa géométrie et sa puissance à reprendre les efforts qui lui sont appliqués. Les différents algorithmes possibles pour la réhabilitation d’ouvrages en béton armé ne sont pas tous encore codifiées. Différentes entreprises suggèrent différentes méthodes pour des pathologies semblables ou encore leur application de la même méthode diffère. Jusqu’au jour l’idée de suivi des projets, dans la majorité des entreprises libanaises, reste limitée à l’esthétique, l’hygiène et l’architecture, et atteint à peine l'entretien du béton armé. Même si certains codes mentionnent quelques méthodes de réparation du béton armé, il sera intéressant pas seulement de s’approfondir dans les normes de ces méthodes, mais aussi de détailler le savoir-faire dans le domaine du management de tels projets et du suivi d'un ouvrage sous une norme libanaise spécifique.
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Références 1
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Annexe A-renforcement en flexion par tissus fibre de carbone Cet annexe décrit les étapes de calcule1 de dimensionnement de tissus de PRF dans le but de renforcer une poutre en flexion sujet d’une augmentation de 50% des charges d’exploitations.
1. Hypothèse
Figure 1: Poutre sujet de renforcement
Voici les propriétés des matériaux utilisés dans cette poutre : f'c Ec
Béton 35.0 MPa 27806 MPa √
2
fy Es
Acier 400 MPa 200000 MPa
As
1847.3 mm2 (3T28)
Tableau 1: Propriétés du béton et l'acier
Les charges appliquées à cette poutre sont les suivants : Charges et moments G Q Wu
Existantes
Prévues
15.0 KN/m 15.0 KN/m 18.0 KN/m 26.0 KN/m 46.8 KN/m 59.6 KN/m
Equations (ACI318M-11, sec. 9.2.1, eq. 9-1)
W limite (1.1)
-
36.0 KN/m
MG
105 KN.m
105 KN.m
-
MQ
127 KN.m
183 KN.m
-
Mu
329 KN.m
419 KN.m
M limite (1.1)
-
253 KN.m
(ACI440.2R-08, sec. 9.2, eq. 9-1)
Tableau 2: Charges, Moments et méthodes de calcule
1 2
Le calcule est réalisé suivant le code américain ACI comme indiqué à la fin de l’annexe. ACI318M-11, sec. 8.5.1
Dans le cas où le système PRF est endommagé, la structure doit toujours être capable de résister à un niveau raisonnable de charge sans effondrement ; tel que décrit par l’Eq.(1.1). Un facteur de charges permanentes de 1.1 est utilisé parce que les charges permanentes existantes de la structure peuvent être plus-ou-moins précisément évalués. Un facteur de charges d’exploitations de 0.75 est utilisé juste pour dépasser la moyenne annuelle statistique de ce facteur, 0.5, comme indiqué dans ASCE 7-05. La résistance limite minimal de l’Eq.(1.1) permettra au membre renforcé de maintenir une capacité structurelle suffisante jusqu'à ce que le PRF endommagé est réparé.
2. Etape 1 : Trouver la section, Af, du tissus PRF
Figure 2: Cherchons c suivant Whitney's rectangular stress distribution (loi parabole rectangle)
L’équilibre de la section implique : 2.1)
D’autre part,
3
avec
Ainsi,
Par suite, le moment existant de la section sera Mni, tel que : ( ) Et ϕMni, tel que : 4
,
3 4
ACI318M-11, sec. 10.2.7.1 ACI318M-11, sec. 9.3.2
Le moment supplémentaire qui doit être porté par le PRF est :
Or, en supposant c=103 mm déjà calculé on peut écrire : (
)5
tel que, 2.2) 395MPa L’équation (2.2) propose une approximation de la contrainte à la rupture dans le FRP de 80% de la contrainte effective de calcule. Puisque la contrainte maximale admissible dans le PRF est de 90% de la contrainte de calcule, ce qui suppose que l’écrasement du béton peut se produire. En outre, on suppose que la conception voudrait essayer de serrer le système de PRF autant que possible pour obtenir un modèle économiquement efficace.
Et
Ainsi,
Ou en utilisant un calcule de surface, où n est le nombre de plis de tissus PRF, t est l’épaisseur de celle-ci, et w sa largeur normalement considérée égale à la largeur de la poutre pour faciliter l’application. Rapporté par le fabricant Résistance ultime à la traction Déformation ultime de rupture Module de Young épaisseur, tf Largeur, wf
De calcule6
Notes
f*fu=650 MPa CE= facteur de réduction environnementale=0.957
e*fu=0.015 40000 MPa
40000 MPa
1.05 mm 300 mm
1.05 mm 300 mm
Tableau 3: Propriétés du PRF8
On trouve donc :
5
ACI440.2R-08, sec. 10.2.10, eq. 10-13 ACI440.2R-08, sec. 9.4, eq. 9-3 7 ACI440.2R-08, sec.93 table 9.1 8 Ces valeurs sont arbitrairement choisies dans le but de l’exemple et ne réfèrent pas nécessairement à un certain fabricant ou type de PRF. 6
3. Etape 2 : Calcule de l’axe neutre et de l’equilibre Analyse en section transformée : Taux d’armatures :
coefficient d’équivalence élastique :
Hauteur élastique de l’axe neutre transformé9 : √ Inertie de la section transformée :
Déformation existante en sous-face du béton au moment d’installation des PRF10
Déformation du PRF en mode de rupture « décollement »11 √ Dans la partie suivante, on estime d’abord c=103mm (déjà calculé). Déformation effective en PRF atteint à la rupture12 (
)
(3.1)
(
)(
)
Figure 3: triangle semblables calcule de εc
9
Composites for Construction - Structural Design with FRP Materials (Malestrom), Laurence C. Bank, pg.250 10 ACI440.2R-08, sec. 10.2.3 11 ACI440.2R-08, sec. 10.1.1, eq.10-2 12 ACI440.2R-08, sec. 10.2.5, eq.10-3
Déformation des armatures existantes13 (
)(
)
(3.2)
Parsuite on trouve les contraintes existantes dans le PRF et les armatures14 : (3.3) (3.4) Déformation correspondante à f’c15
Pour résoudre la profondeur de l'axe neutre, c16 (3.5) Où les valeurs de α1 et β1, qui sont maintenant différentes de leurs valeurs lorsque εc = εcu=0.003, peuvent être estimés avec une précision raisonnable en utilisant les expressions suivantes recommandée par le comité ACI qui ont été dérivée en supposant une relation parabolique pour la courbe contrainte-déformation du béton en compression :
On distingue que c calculée suivant l’Eq. (3.5) est différente que celle estimée au début, en effet ; Pour résoudre la profondeur de l'axe neutre, c, une procédure de résolution itérative, recommandée par le comité ACI440, peut être utilisée. Tout d’abord, une valeur initial de ci est estimé (ici on a commencé par la valeur calculé par l’équilibre initial), ensuite, on calcule les déformations et les contraintes des équations (3.1) à (3.4) dont on en déduit une valeur nouvelle de cf suivant l’Eq. (3.5). Si ci et cf sont bien correspondantes on peut conclure un équilibre, sinon une nouvelle valeur c sera prise (généralement la dernière valeur calculée) et on applique cette itération jusqu’à avoir une convergence entre ci et cf c’est-à-dire avoir un équilibre de la section.
13
Suivant le même raisonnement de triangles semblables, ACI440.2R-08, sec. 10.2.10, eq.10-10 ACI440.2R-08, sec. 10.2.10, eq.10-9 et 10-11 15 ACI440.2R-08, sec. 2.1 « » 16 ACI440.2R-08, sec. 10.2.10, eq. 10-12 14
Dans le tableau suivant on présente les différentes itérations de cet exemple et leurs résultats correspondants :
ITERATION 1 ITERATION 2 ITERATION 3 ITERATION 4 ITERATION 5 ITERATION 6 ITERATION 7 ITERATION 8 ITERATION 9 ITERATION 10 ITERATION 11 ITERATION 12
ci 145.2 mm 121.8 mm 130.9 mm 126.3 mm 128.5 mm 127.4 mm 127.9 mm 127.7 mm 127.8 mm 127.7 mm 127.8 mm 127.7 mm
0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079 0.008 0.0079
fs 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa 400 MPa
ffe 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa 334.8 MPa
0.8034 0.9244 0.7602 0.9087 0.7751 0.9242 0.7672 0.9177 0.7708 0.9212 0.7690 0.9195 0.7699 0.9203 0.7695 0.9200 0.7697 0.9201 0.7696 0.9201 0.7696 0.9201 0.7696 0.9201
Tableau 4: intération de calcule de c et de l'equilibre
cf 121.8 mm 130.9 mm 126.3 mm 128.5 mm 127.4 mm 127.9 mm 127.7 mm 127.8 mm 127.7 mm 127.8 mm 127.7 mm 127.7 mm
Equilibre? NON NON NON NON NON NON NON NON NON NON NON OUI
4. Etape 3 : Vérifications Moments Résistants nominales17 Contribution des armatures : (
)
Contribution des PRF : (
)
18 est appliqué à la contribution du Un facteur de réduction supplémentaire renforcement PRF pour refléter les incertitudes intrinsèques aux systèmes de PRF par rapport au béton armé.
Moment de la section :19 (
)
Donc la section renforcée n’est pas capable de reprendre le nouveau moment Mu, pour cela on refait le calcule en ajoutant une 3eme couche de tissus de PRF. Le calcule nécessaire donne, après 13 itérations, les résultats suivants :
Parsuite,
Vérification des contraintes à l’état de service : Hauteur élastique de l’axe neutre transformé : √
( )
(4.1)20
Avec,
Donc k=0.346,
17
ACI440.2R-08, sec. 10.2.10, eq. 10-13 Page 3 de cet annexe 19 ACI440.2R-08, sec. 10.1 eq. 10-1 20 Selon ACI440.2R-08, et Composites for Construction - Structural Design with FRP Materials (Malestrom), Laurence C. Bank 18
Contrainte dans l’armature21 : *
)+ [
( (
)
(
] )
Avec Ms=MG+MQ=288KN.m, On peut dire que la contrainte dans l’armature reste alors sous les limites recommandés par le comité. Vérification en mode de rupture « fluage » Contrainte en service dans les tissus PRF22 :
La contrainte en service est à comparer avec les contraintes de service limites des charges continues et cycliques23 Type de fibres PRFA Aramide
PRFG Glasse
Non Acceptable
Acceptable
PRFC Carbone
Acceptable
Tableau 5: Contraintes limites en charges continues et cycliques (ACI440.2R-08, sec. 10.2.9, tableau 9.1)
Ainsi, en utilisant 3 couches, de PRFA ou PRFC, d’épaisseurs 1.05mm, de largeur 300mm, de capacité 650MPa, de déformation limite de 15‰ et de module d’élasticité de 40000MPa, le renforcement en flexion de la poutre sera capable de soutenir les ajouts de charges prévues.24
21
ACI440.2R-08, sec. 10.2., eq. 10-6 et sec. 10.2.10.1, eq. 10-14 ACI440.2R-08, sec. 10.2.10.1, eq. 10-15 23 ACI440.2R-08, sec. 10.2.9 24 Bien sûre, les propriétés indiquées sont choisi arbitrairement pour l’exemple. 22
TABLE DE MATIERES 1. HYPOTHESE ............................................................... 1 2. ETAPE 1 : TROUVER LA SECTION, A , DU TISSUS PRF ............... 2 3. ETAPE 2 : CALCULE DE L’AXE NEUTRE ET DE L’EQUILIBRE ....... 4 4. ETAPE 3 : VERIFICATIONS .............................................. 7 F
LISTE DES FIGURES FIGURE 1: POUTRE SUJET DE RENFORCEMENT........................................... 1 FIGURE 2: CHERCHONS C SUIVANT WHITNEY'S RECTANGULAR STRESS DISTRIBUTION (LOI PARABOLE RECTANGLE) ............................. 2 FIGURE 3: TRIANGLE SEMBLABLES CALCULE DE ΕC ............................... 4
LISTE DES TABLEAUX TABLEAU 1: PROPRIETES DU BETON ET L'ACIER........................................ 1 TABLEAU 2: CHARGES, MOMENTS ET METHODES DE CALCULE .......... 1 TABLEAU 3: PROPRIETES DU PRF ...................................................................... 3 TABLEAU 4: INTERATION DE CALCULE DE C ET DE L'EQUILIBRE ....... 6 TABLEAU 5: CONTRAINTES LIMITES EN CHARGES CONTINUES ET CYCLIQUES ................................................................................................................ 8
REFERENCES
ACI 318M-11. ACI 440.2R-08-Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. Composites for Construction - Structural Design with FRP Materials (Malestrom) by Laurence C. Bank. Flexural Capacity of FRP Strengthened Unbonded-Prestressed Concrete Members: Proposed Design Guidelines by F. M. El Meski & M. H. Harajli. RENFORCEMENT EN FLEXION DE POUTRES EN BÉTON ARMÉ A L'AIDE DE PLAQUES EN MATÉRIAU COMPOSITE RÉALISÉES IN-SITU- Mémoire présenté a la faculté des études supérieures de l'Université Laval par Philippe DUQHETTE. Arduini, M., and Nanni, A. (1997), Behavior of precracked RC beams strengthened with carbon FRP sheets, Journal of Composites for Construction, Vol. 1, No. 2. Barbero, E. J. (1999), Introduction to Composite Materials Design, Taylor & Francis,Philadelphia. FRP Composites for Reinforced and Prestressed Concrete Structures: A guide to fundamentals and design for repair and retrofit, By Perumalsamy Balaguru, Antonio Nanni, James Giancaspro
