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Le béton armé est un matériau hétérogène, puisque constitué de béton et d’armatures en acier. Inerte, il évolue dans le temps, subissant des changements constants : dilatations, fissures, ruptures, etc. Cet ouvrage permet de diagnostiquer les dégradations, désordres et pathologies éventuelles, et de mettre en œuvre un entretien ou une réparation adapté. Ainsi, au moyen de fiches pratiques richement illustrées, cet ouvrage : – explique la notion de durabilité d’un ouvrage, puis liste les désordres courants des constructions (bullage, écaillage, ségrégation, fissures, etc.) ; – détaille les mécanismes de dégradations chimiques (carbonatation, attaques par les chlorures, les sulfates ou les acides, corrosion de l’acier, etc.) et leurs conséquences ; – présente les classes d’exposition d’attaques chimiques (XA, XC, XD, etc.) ; – décrit les dégradations mécaniques et physiques, constituées en majorité des surcharges, sols gonflants et du phénomène de gel/dégel ; – expose les dégradations dues au défaut de conception, d’exécution ou d’exploitation ; – développe la méthodologie et les principales étapes d’un diagnostic, puis analyse les méthodes non destructives utilisées pour le contrôle des fissures, par exemple, ou partiellement destructives, comme le carottage ; – fournit les techniques de réparation (liants et résines en surface, béton coulé ou projeté, traitement des fissures), et de renforcement des poteaux, poutres, dalles et fondations par des plaques, du béton rapporté, ou des fibres synthétiques.

En début d’ouvrage, un sommaire graphique renvoyant aux fiches pratiques permet d’identifier visuellement les désordres et dégradations, et ainsi de déterminer les essais, réparations et renforcements à effectuer selon les situations. Cet ouvrage s’adresse aux techniciens et ingénieurs spécialisés, aux enseignants, formateurs, et étudiants. Il accompagnera dans l’accomplissement de leurs missions les chargés d’étude, de la surveillance, de l’entretien et de la réparation des ouvrages en béton ainsi que les ingénieurs et techniciens de laboratoires ou des entreprises de construction.

Sommaire c Partie 1. Origines et prévention des désordres et des dégradations 1. Dégradations d’origine chimique 2. Dégradations d’origine mécanique 3. Dégradations d’origine physico-chimique et physique 4. Dégradations dues aux défauts de conception, de calcul, d’exécution et d’exploitation c Partie 2. Techniques de diagnostic 5. Méthodologie de diagnostic 6. Méthodes et essais c Partie 3. Méthodes et techniques de réparation et de renforcement 7. Principes et matériaux 8. Travaux préparatoires 9. Techniques de réparation 10. Techniques de renforcement 11. Renforcement des fondations

Omrane Benjeddou

Mehrez Khemakhem

Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé en 44 fiches pratiques

Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé en 44 fiches pratiques

ISSN 2262-5089 ISBN 978-2-281-14378-2

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E Photographie de couverture © kebox, Adobe Stock, 2020

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages

en béton armé

en 44 fiches pratiques

Mehrez Khemakhem Omrane Benjeddou

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E EXPERTISE TECHNIQUE

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Sommaire Avant-propos............................................................................................ 11 À propos des auteurs et remerciements...................................................... 13 Sigles et abréviations................................................................................. 15 Introduction.............................................................................................. 17 Partie 1

Origines et prévention des désordres et des dégradations......................................................................... 31

Chapitre 1

Dégradations d’origine chimique...................................................... 33

Chapitre 2

Dégradations d’origine mécanique.................................................. 65

Chapitre 3

Dégradations d’origine physico-chimique et physique................. 79

Chapitre 4

Dégradations dues aux défauts de conception, de calcul, d’exécution et d’exploitation.............................................................. 97

Partie 2

Techniques de diagnostic................................................................ 109

Chapitre 5

Méthodologie de diagnostic.............................................................. 111

Chapitre 6

Méthodes et essais............................................................................ 121

Partie 3

Méthodes et techniques de réparation et de renforcement.......................................................................... 171

Chapitre 7

Principes et matériaux....................................................................... 173

Chapitre 8

Travaux préparatoires........................................................................ 181

Chapitre 9

Techniques de réparation.................................................................. 193

Chapitre 10

Techniques de renforcement............................................................ 215

Chapitre 11

Renforcement des fondations.......................................................... 233 5

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé

Glossaire................................................................................................... 245 Bibliographie............................................................................................ 249 Index........................................................................................................ 253 Table des matières..................................................................................... 257

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Sommaire graphique

Fiche 1.01 Carbonatation du béton

Fiche 1.02 Attaque par les chlorures

Fiche 1.03 Attaque par les sulfates

Fiche 1.04 Attaque par les acides

Fiche 1.05 Alcali-réactions

Fiche 1.06 Corrosion de l'acier

Fiche 2.01 Surcharges d'exploitation

Fiche 2.02 Concentration des efforts

Fiche 2.03 Fluage du béton

Fiche 2.04 Déformations du support

Fiche 2.06 Fiche 2.05 Désordres au niveau des fondations Désordres liés aux travaux de voisinage

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé

Fiche 3.01 Effet des sols gonflants

Fiche 3.02 Action des cycles gel-dégel

Fiche 3.03 Retraits

Fiche 4.01 Erreurs de conception et de calcul

Fiche 4.02 Cas de la poussée au vide des armatures

Fiche 4.03 Dégradations et désordres dus aux défauts d'exécution

Fiche 4.04 Désordres dus au manque d'entretien

Fiche 4.05 Désordres dus à des actions accidentelles

Fiche 6.01 Moyens de contrôle des fissures

Fiche 6.02 Détection des armatures

Fiche 6.03 Mesure du potentiel de corrosion

Fiche 6.04 Détermination de la profondeur de carbonatation

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Sommaire graphique

Fiche 6.05 Mesure de dureté superficielle au scléromètre

Fiche 6.06 Détermination de la vitesse de propagation du son

Fiche 6.07 Carottes de béton

Fiche 8.01 Préparation du support

Fiche 8.02 Nettoyage

Fiche 8.03 Préparation des armatures

Fiche 8.04 Préparation et mise en œuvre des produits à base de liants

Fiche 9.01 Mortier et béton appliqués à la main

Fiche 9.02 Mortier et béton coulés

Fiche 9.03 Béton projeté

Fiche 9.04 Traitement des fissures et joints

Fiche 10.01 Renforcement par plaques collées

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé

Fiche 10.02 Renforcement par béton rapporté (chemisage)

Fiche 10.03 Renforcement par fibres synthétiques

Fiche 10.04 Renforcement par lamelles en fibres de carbone

Fiche 10.05 Renforcement par tissu en fibres de carbone

Fiche 11.01 Augmentation de la surface de la semelle

Fiche 11.02 Traitement des terrains de fondation par injection

Fiche 11.03 Reprise en sous-œuvre par micropieux

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Avant-propos La pathologie des ouvrages de génie civil est une discipline qui prend de plus en plus d’importance étant donné le vieillissement des constructions et la diversité des agressions sur les ouvrages. Le béton, matériau phare par excellence du génie civil, a révolutionné depuis son invention les techniques de construction. Ses performances, principalement mécaniques, ont évolué dans le temps mais il demeure sujet au vieillissement. Les moyens techniques pour obtenir un matériau durable ont aussi évolué. On vise actuellement, suivant la nature de l’ouvrage, une durabilité dépassant cinquante ans pour les ouvrages courants et cent ans pour les ouvrages d’art et les bâtiments particuliers. La réussite du matériau béton provient de son mariage avec l’acier pour donner du béton armé. Cependant, le problème principal de l’acier est la corrosion. Le béton, avec sa grande alcalinité à jeune âge, offre en effet une protection pour les aciers, mais cette protection n’est durable que si plusieurs facteurs sont réunis. Le plus important de ces facteurs est la compacité du béton, qui nécessite une bonne formulation, une mise en place convenable et une bonne cure. En plus de la qualité du matériau béton, les autres facteurs à prendre en compte sont l’environnement, la conception, la mise en œuvre, l’exploitation, les actions accidentelles, etc. La connaissance de tous ces facteurs aide à mieux diagnostiquer un ouvrage endommagé ou vieillissant, et à proposer les solutions adéquates pour sa maintenance ou sa réparation. Toute solution efficace passe nécessairement par un bon diagnostic. Le diagnostiqueur doit posséder une connaissance pluridisciplinaire : matériaux de construction, béton armé, géotechnique, procédés de construction, calcul des structures, etc. Tout cela peut ne pas suffire, dans certains cas, sans la pertinence de l’examen visuel. Ce dernier est la clé de tout diagnostic. Ce livre aborde de façon synthétique les problèmes pathologiques des constructions en béton armé. Il ne traite pas des autres types de constructions : en maçonnerie, en charpente métallique, etc. Il comporte onze chapitres, qui abordent principalement les parties suivantes : 1. Origines et prévention des désordres et des dégradations 2. Techniques de diagnostic 3. Méthodes et techniques de réparation et de renforcement Cet ouvrage s’adresse aux techniciens et ingénieurs spécialisés, aux enseignants, formateurs, et étudiants. Il accompagnera dans l’accomplissement de leurs missions les chargés d’étude, de la surveillance, de l’entretien et de la réparation des ouvrages en béton, les ingénieurs et techniciens de laboratoires ou des entreprises de construction. Il ne couvre pas la totalité des connaissances du domaine, mais en aborde les éléments les plus essentiels. Mehrez Khemakhem et Omrane Benjeddou 11

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À propos des auteurs Mehrez Khemakhem est agrégé et professeur technologue en génie civil. Il est consultant auprès de divers opérateurs dans le domaine du génie civil (laboratoires, bureaux d’études, bureaux de contrôle, entreprises, etc.). Ses domaines d’intervention sont principalement l’assistance et la formation dans les domaines suivants : essais et mesures de laboratoire et in situ (pour la géotechnique et les matériaux de construction), pathologie des constructions, contrôle qualité, etc. Actuellement, il est expert qualité avec un bureau de contrôle canadien opérant sur un projet autoroutier. Omrane Benjeddou est docteur ingénieur en génie civil de l’école nationale d’ingénieurs de Tunis (Tunisie). Il est chercheur dans le domaine de développement des nouveaux matériaux de construction au sein du Laboratoire de génie civil de l’école nationale d’ingénieurs de Tunis (Université El Manar). Maître assistant à Prince Sattam bin Abdulaziz University, College of Engineering, Civil Engineering Department, Alkharj (Saudi Arabia), il est également formateur auprès de divers bureaux de formation dans le domaine des matériaux de constructions et d’expertise des ouvrages en béton armé.

Remerciements Nous tenons à remercier toutes les personnes qui nous ont aidés, motivés et donné des ailes pour préparer et finaliser ce projet. Ce sont principalement nos familles, notre entourage à l’université et les professionnels du monde du travail avec lesquels nous avons collaboré. Tous nous ont assisté, conseillé, critiqué et soutenu durant toute la période de préparation de ce projet. Ce livre est l’aboutissement de plusieurs années d’enseignement, de formation, d’échange et de collaboration avec le milieu professionnel. Plusieurs photos et exemples, qui illustrent ce projet, sont le fruit de ces échanges et collaborations. Nous n’oublions pas de remercier la maison d’édition Le Moniteur, qui a cru à notre projet et nous a apporté son assistance pour l’affiner et le finaliser. Nous dédions ce modeste travail à tous ceux qui le méritent. Mehrez Khemakhem et Omrane Benjeddou

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Dégradations d’origine chimique

FICHE

1.01

Carbonatation du béton

1

Protection naturelle des armatures en acier du béton armé

L’armature en acier d’un ouvrage est naturellement protégée par une couche d’oxyde, qui résulte de la création à sa surface d’une pellicule protectrice de ferrite, de formule Fe2O3CaO. Ce phénomène est appelé « passivité », et la couche qui en résulte « couche de passivation* ». En effet, au cours de la prise et du durcissement du béton, les ciments* se combinent avec l’eau pour former des produits hydratés de caractère basique. Ces produits, comme la portlandite, de formule Ca(OH)2, sont dissous dans la solution aqueuse interstitielle du béton, de pH compris entre 12 et 13. Les armatures sont protégées tant qu’elles se trouvent dans un milieu présentant un pH allant de 9 à 13,5 (fig. 1.01‑1). Échelle de pH

Aciers protégés

Danger

Carbonatation

14 13 12 11 10

Alcalin (basique)

9 8 7

Aciers sans protection

6

Neutre

5 4 3

Acide

2 1

Fig. 1.01‑1. Effet de la carbonatation du béton sur les armatures

Cette couche protectrice réduit efficacement le risque de corrosion* de l’armature malgré la présence, parfois, d’eau et d’oxygène. Cependant, elle est perdue lorsque le béton se carbonate jusqu’à la profondeur de l’armature, ou lorsque des sels corrosifs (contenant principalement l’ion Cl–) sont présents en quantités suffisantes à la profondeur de l’armature.

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FICHE 1.01

Dégradations d’origine chimique

Carbonatation du béton 2

Processus de la carbonatation du béton

Le dioxyde de carbone (CO2) contenu dans l’air a tendance à se combiner avec les produits hydratés, dont la portlandite, selon une réaction produisant du carbonate de calcium, de formule chimique CaCO3. Cette réaction, appelée carbonatation du béton, est un phénomène de vieillissement naturel, qui n’est généralement pas nocif pour le béton. L’équation de la réaction chimique est la suivante : CO2 + Ca(OH)2 + H2O → CaCO3 + 2H2O dioxyde de carbone + portlandite + eau → carbonate de calcium + eau Cette transformation s’accompagne d’une diminution du pH, lequel atteint des valeurs inférieures à 9, voire, allant jusqu’à 8,3 si tout le Ca(OH)2 est carbonaté. L’alcalinité du ciment est alors neutralisée, et ce dernier n’assure plus la protection* des armatures, ce qui entraîne une dépassivation de l’acier, c’est-à-dire une destruction de la couche de passivation (fig. 1.01‑2). Alimentation en CO2 Extérieur

Front de carbonatation Zone carbonatée pH < 9

Zone non carbonatée pH > 9

Intérieur

Fig. 1.01‑2. Processus de carbonatation du béton

3

Conséquences de la carbonatation du béton

La carbonatation du béton est ainsi une source de dégradation des ouvrages en béton armé, et nuit à leur durabilité. En effet, une des conséquences principales de la carbonatation est de favoriser la corrosion des armatures, c’est-à-dire une réaction d’oxydation, lorsque le front de carbonatation les atteint. Quand le processus de dégradation est fort, la rouille*, par augmentation du volume de l’acier, provoque l’éclatement du béton d’enrobage, et laisse apparaître, à partir d’épaufrures, les armatures oxydées (photo 1.01‑1). Le processus est schématisé par la figure 1.01‑3.

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Dégradations d’origine chimique

FICHE 1.01

Carbonatation du béton

Le béton armé est jeune. Le phénomène de carbonatation s'amorce.

La carbonatation progresse et l'acier commence à se dépassiver.

La corrosion démarre en présence d'humidité et surgit une première amorce de fissures.

Oxydation importante et éclatement du béton d'enrobage.

Fig. 1.01‑3 Les phases de dégradation du béton armé par la carbonatation

Photo 1.01‑1. Corrosion des armatures et éclatement du béton d’enrobage causés par la carbonatation du béton 37

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FICHE 1.01

Dégradations d’origine chimique

Carbonatation du béton 4

Vitesse de carbonatation du béton

La vitesse de carbonatation du béton est fonction de nombreux paramètres, dont les plus importants sont sa porosité* et le taux d’humidité relative du milieu ambiant. La porosité du béton est étroitement liée avec ses caractéristiques mécaniques. En effet, la cinétique du processus dépend de la teneur en CO2, et de la facilité avec laquelle ce gaz pénètre dans les pores du béton. Cette progression est étroitement liée aux caractéristiques du béton (nature et dosage du ciment, rapport eau/ciment, porosité et perméabilité), et au milieu environnant (teneur en dioxyde de carbone). Plus le béton est compact, le dosage en ciment élevé, le rapport eau/ciment (E/C) faible et la résistance du béton élevée, plus la progression du front de carbonatation est lente. De ce fait, plus la porosité du béton est faible, plus l’échéance de dépassivation des armatures est retardée. Ainsi, pour des bétons présentant des résistances à la compression* supérieures ou égales à 50 MPa à 28 jours, comme notamment les bétons à hautes performances (BHP), la cinétique de carbonatation est très faible. La carbonatation augmente proportionnellement à la racine carrée du temps : Profondeur de carbonatation = k. t Avec la profondeur de carbonatation en cm et le temps en années. Le coefficient k dépend de la qualité générale du béton (résistance à la compression, porosité) : ––k > 0.5 pour un béton poreux ; ––k = 0,5 pour un béton normal ; ––k = 0,2 à 0,3 pour un béton de qualité, compact. Comme application de cette relation, on peut voir dans le tableau 1.01‑1 la différence sur deux bétons se trouvant dans les mêmes conditions, mais présentant des caractéristiques mécaniques et des compacités différentes. Tab. 1.01‑1. Profondeur de carbonatation en fonction de la qualité du béton

Béton

Résistance à la compression (MPa)

Valeur de k

Béton 1

30

Béton 2

50

Profondeur de carbonatation (mm) après 1 an

5 ans

10 ans

25 ans

50 ans

0,5

5

11

16

25

35

0,25

2,5

6

8

12

18

Concernant le taux d’humidité, la carbonatation est maximale pour une humidité du milieu extérieur comprise entre 50 % et 80 %.

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Dégradations d’origine chimique

FICHE 1.01

Carbonatation du béton 5

Précautions pour retarder la progression de la carbonatation

On peut agir pour ralentir la progression de la carbonatation en : ––augmentant (optimisant) le dosage en ciment ; ––diminuant le rapport eau/ciment (E/C) ; ––augmentant le temps de cure* du béton à jeune âge ; ––augmentant l’enrobage. La norme européenne NF EN 206/CN fixe des paramètres de formulations (dosages en liant, rapport eau/liant) et une classe de résistance minimale, pour qu’un béton se comporte de façon durable vis-à-vis de la corrosion des armatures initiée par la carbonatation du béton d’enrobage. Cette norme définit quatre classes d’exposition ou degrés d’agressivité, notées XC1 à XC4, qui sont fonction de l’humidité et de l’existence de cycles d’humidification et de séchage (cf. fiche 1.07).

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Méthodes et essais

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons)

FICHE

6.06

1 Principe Cet essai permet de déterminer la vitesse de propagation d’ondes longitudinales dans le béton : on mesure le temps mis par une onde à parcourir une distance connue dans le béton. C’est une mesure de vitesse de son. Cette vitesse est d’autant plus élevée que le béton a un module d’élasticité important. Un train d’ondes longitudinales est produit par un transducteur électro-acoustique maintenu au contact de la surface du béton soumis à l’essai. Après avoir parcouru une longueur connue dans le béton, le train de vibrations est converti en signal électrique par un deuxième transducteur, et des compteurs électroniques mesurent le temps de parcours de l’impulsion. 2 Objectifs Les objectifs de l’essai peuvent être : ––la détermination de l’uniformité (l’homogénéité) du béton ; ––la détection de la présence et la mesure approximative de fissures, trous et autres défauts ; ––l’évaluation de l’efficacité de réparation de fissures ; ––la mesure des changements intervenus avec le temps dans les propriétés du béton ; ––la corrélation de la vitesse d’impulsion et de la résistance comme une mesure de la qualité du béton ; ––la détermination du module d’élasticité et du coefficient de Poisson dynamiques du béton. 3

Norme de l’essai

L’essai est exécuté selon la norme NF EN 12504‑4 « Essais pour béton dans les structures – Partie 4 : Détermination de la vitesse de propagation du son ». 4

Équipement spécifique

L’appareillage est constitué essentiellement d’un générateur d’impulsions électriques, de plusieurs transducteurs (un émetteur et un ou plusieurs récepteurs), et d’un dispositif de chronométrage (fig. 6.06‑1). Les contacts entre les transducteurs avec la pièce à ausculter sont ponctuels ou surfaciques.

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FICHE 6.06

Méthodes et essais

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons)

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3

2 4

Fig. 6.06‑1. Exemple d’appareil à ultrasons (1), de transducteurs (2), de produit couplant (3) et de barreau de calibrage (4)

La qualité du contact entre les transducteurs et le béton est primordiale pour la validité de la mesure. Pour cela, on interpose un produit couplant, qui peut être de la vaseline, du savon liquide ou de la graisse silicone. Pour les contacts ponctuels, le produit couplant n’est pas nécessaire. 5

Méthodes de mesure

Trois méthodes de mesure sont possibles : la méthode par transmission directe (ou transparence), la méthode par transmission de surface (ou indirecte) et la méthode par semitransparence (ou semi-directe). On passe dans tous les cas par les étapes suivantes pour les mesures : ––dépoussiérer le support ; ––éliminer toute trace d’humidité ; ––localiser les armatures ; ––marquer les points à tester au crayon ou à la craie ; ––poncer au moyen de la pierre à polir les surfaces de texture rugueuse ou peu résistantes, ou encore celles couvertes de laitance, jusqu’à ce qu’elles soient lisses. Les surfaces brutes de coffrage ou lissées à la truelle peuvent être soumises à l’essai sans meulage préalable ; ––calibrer grâce au barreau de calibrage (fig. 6.06‑1) fourni avec l’appareil pour obtenir une ligne de référence du mesurage de la vitesse ; ––mesurer selon la méthode choisie. Méthode de transmission directe L’émetteur et le récepteur sont appliqués sur les deux faces opposées de l’élément à mesurer (fig. 6.06‑2). Il faudra noter : ––la mesure de la distance séparant les deux transducteurs ; elle doit être supérieure à quatre fois le plus gros diamètre des granulats ; ––la valeur minimale du temps du parcours, qui indique que l’épaisseur du produit de couplage a été réduite au minimum. 154

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Méthodes et essais

FICHE 6.06

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Chaque mesure doit être répétée au moins trois fois en repositionnant au même endroit les transducteurs.

Fig. 6.06‑2. Positionnement des transducteurs sur les faces opposées (méthode directe)

Méthode de transmission indirecte Les deux transducteurs (émetteur et le récepteur) sont appliqués sur la même surface plane de l’élément à mesurer (fig. 6.06‑3). L’émetteur reste fixe et le récepteur change de position à chaque mesure. On prend au moins cinq mesures en cinq points alignés en s’assurant d’avoir une distance entre chaque point comprise entre 10 et 30 cm. Si le plus gros granulat du béton dépasse 20 mm, la distance minimale entre deux points est de 15 cm. On veillera, à l’aide d’un détecteur d’armatures, à ne pas prendre de mesure au-dessus ou à proximité des armatures, surtout celles parallèles à la direction de propagation de l’impulsion, afin que la mesure concerne le béton et non l’acier. Noter le temps du parcours. Chaque mesure doit être répétée trois fois, en repositionnant au même endroit les transducteurs.

Fig. 6.06‑3. Positionnement des transducteurs sur la même face (méthode indirecte)

Méthode semi-directe L’émetteur et le récepteur sont positionnés sur deux faces non coplanaires de l’élément à mesurer (fig. 6.06‑4). Si une seule mesure est réalisée, l’essai se déroule en suivant la méthode par transmission directe. Si plusieurs mesures sont réalisées en déplaçant le transducteur-récepteur, l’essai est réalisé en suivant la méthode par transmission indirecte. 155

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FICHE 6.06

Méthodes et essais

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons)

Fig. 6.06‑4. Positionnement des transducteurs sur deux faces non coplanaires (méthode semi-directe)

6 Exploitation des résultats L’exploitation des résultats est fonction de la méthode de mesure. Méthode de transmission directe Le temps de propagation des ondes soniques est exprimé en microseconde (µs). La vitesse conventionnelle de propagation en mètre par seconde (m/s) est calculée à l’aide de la relation : l v= t où : l : la distance entre les deux transducteurs (mm) ; t : le temps de propagation (µs). Des études de la Réunion internationale des laboratoires et experts des matériaux (RILEM)(8) ont montré que des corrélations sont possibles entre la résistance à la compression Rc et la vitesse v. Plus la vitesse est importante, meilleure est la qualité du béton. Le tableau 6.06‑1 donne une idée de la qualité du béton en fonction de la vitesse. Tableau 6.06‑1. Relation entre la vitesse de propagation et la qualité du béton

Qualité

Vitesse de propagation (m/s)

Excellente

Supérieure à 4 000

Bonne

3 200 – 4 000

Moyenne

2 500 – 3 200

Mauvaise

1 700 – 2 500

Très mauvaise

Inférieure à 1 700

(8)  Volume 16, année 1983. 156

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Méthodes et essais

FICHE 6.06

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Méthode de transmission indirecte La détermination de la vitesse conventionnelle est graphique. On porte les différentes valeurs relevées dans un repère orthogonal ayant le temps (en µs) en abscisse, et la distance entre les points (en cm ou mm) en ordonnée. On trace par la suite la droite la plus représentative de la population formée par ces points. Le béton est considéré homogène, dans la zone auscultée, si les points sont presque alignés (fig. 6.06‑5). Dans ce cas, la vitesse est la pente de la droite. Dans le cas contraire (fig. 6.06‑6), on peut définir une vitesse conventionnelle. Distance (cm) 70 60 l2 50 40 30 20 l1 10 0

0

50

t1

100

150

200

250

t2

300

Temps de propagation (µs)

Fig. 6.06‑5. Exemple de détermination de la vitesse de propagation, béton homogène t1 = 75 µs ; t2 = 275 µs ; l1 = 14,3 cm = 143 mm ; l2 = 54,5 cm = 545 mm

Sur l’exemple de la figure 5, on trouve une vitesse v = 2,01 km/s. Le béton est homogène, mais de mauvaise qualité pour la couche de surface. Distance (cm) 70 60 50 40 30 20 10 0

0

50

100

150

200

250

300

Temps de propagation (µs)

Fig. 6.06‑6. Exemple de détermination de la vitesse de propagation, points non-alignés

La pente P de la droite de régression tracée entre les points doit être mesurée et enregistrée comme étant la vitesse moyenne de propagation du son sur la ligne définie sur la surface du béton. Elle est définie par : l −l P= 1 2 t1 − t2 157

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FICHE 6.06

Méthodes et essais

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Le résultat est exprimé en kilomètre par seconde (km/s) ou en mètre par seconde (m/s), sachant que les points (l1, t1) et (l2, t2) appartiennent à la droite et sont choisis les plus éloignés possible. Le non alignement des points peut être l’indice d’un défaut dans l’ouvrage ou d’un ferraillage important sur le parcours de l’onde sonique (fig. 6.06-6). Les défauts peuvent être aussi une fissure ou la présence de deux bétons de qualités très différentes. L’insuffisance de l’appareillage par atténuation trop importante du signal peut être source du non alignement des points. Cette méthode permet de : ––mettre en évidence une couche superficielle endommagée par le gel, le feu, etc. ; ––mettre en évidence une mauvaise reprise de bétonnage ; ––déterminer la présence de fissures de masse et éventuellement leur profondeur. La méthode d’estimation de la profondeur d’une fissure est décrite par la norme américaine BS 1881:203:Testing concrete. Recommendations for Measurement of Velocity of Ultrasonic Pulses in Concrete(9). Certains appareils à ultrasons sont équipés d’option « évaluation de profondeur de fissures ». L’estimation de la profondeur d’une fissure peut être influencée par la présence d’armature, par la direction de la fissure, par le fait qu’elle soit traversante ou non, et plusieurs autres facteurs (fig. 6.06‑7). x

x

Tx

Rx

Tx

Rx

c

Fissure perpendiculaire à la surface

Fissure oblique

Fig. 6.06‑7. Principe de mesure de la profondeur des fissures (d’après BS 1881:203)

Méthode semi-directe L’exploitation de la méthode semi-directe est liée à la façon de réaliser la mesure : ––si une seule mesure est réalisée, l’essai est assimilable à celui de la méthode par transmission directe ; ––si plusieurs mesures sont réalisées en déplaçant le transducteur-récepteur, l’essai est assimilable à celui de la méthode par transmission de surface Cette méthode peut être utilisée, par exemple, pour localiser des hétérogénéités à l’intérieur d’un élément en béton (fig. 6.06‑8).

(9)  Test du béton. Recommandations pour la mesure de la vitesse des impulsions ultrasonores dans le béton. 158

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Méthodes et essais

FICHE 6.06

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Récepteurs

Source

Défaut

Récepteurs

Source

Fig. 6.06‑8. Exemple d’exploitation de la méthode semi-directe

Le rapport d’essai doit contenir les informations suivantes : a) identification de la structure du béton/de la pièce ; b) emplacement de la surface d’essai ; c) identification de l’appareil ; d) description de la préparation de la surface ; e) informations détaillées sur la composition et l’état du béton ; f) résultats de l’essai. 7 Facteurs influant sur les résultats des mesures Teneur en humidité La teneur en humidité produit deux effets sur la vitesse de propagation du son, l’un chimique, l’autre physique(10). Ces effets sont importants pour l’établissement de corrélations destinées à fournir une estimation de la résistance du béton (fig. 6.06‑9). Entre une éprouvette normalisée cubique ou cylindrique soumise à une cure correcte et un élément structurel réalisé avec le même béton, il peut y avoir une différence importante de vitesse de propagation du son. La plupart des différences sont dues à l’influence des conditions de séchage sur l’hydratation du ciment, tandis que certaines sont dues à la présence d’eau libre dans les vides. Il est important de bien tenir compte de ces effets pour estimer la résistance.

(10)  Willetts C. H., Investigation of the Schmidt Concrete Test Hammer, 1958. 159

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FICHE 6.06

Méthodes et essais

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Résistance à la compression (MPa) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 2,0

2,5

3,0

Pâte Sec Humide

3,5

4,0

Mortier Sec Humide

4,5

5,0

5,5

Vitesses des ondes (km/s)

Béton Sec Humide

Fig. 6.06‑9. Influence de l’humidité du support (d’après C. H. Willetts)

Température du béton Il a été constaté que des variations de température du béton comprises entre 10 °C et 30 °C n’entraînent pas de changement significatif de la vitesse de propagation du son en l’absence de changements correspondants des propriétés de résistance ou d’élasticité. Il convient de corriger les mesures de vitesse de propagation du son seulement pour les températures non comprises dans cette plage de températures, en se référant à des documents de référence, par exemple, à la norme américaine BS 1881:203, qui donne les corrections à apporter au temps de parcours en fonction de la température (tab. 6.06‑2). Tab. 6.06‑2. Influence de la température sur la vitesse de propagation du son (source : BS 1881:203)

Température (°C)

Correction sur la vitesse de propagation du son Béton sec (%)

Béton saturé (%)

60

+ 5

+ 4

40

+ 2

+ 1,7

20

0

0

0

– 0,5

– 1

– 4

– 1,5

– 7,5

160

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Méthodes et essais

FICHE 6.06

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons) Forme et dimension de l’éprouvette La vitesse de propagation du son est indépendante de la dimension et de la forme de l’éprouvette, sauf si sa plus petite dimension latérale est inférieure à une valeur minimale. Au-dessous de cette valeur, la vitesse de propagation du son peut être réduite de manière appréciable. Le tableau 6.06‑3 donne les dimensions latérales minimales en fonction de la fréquence. Tab. 6.06‑3. Incidence des dimensions des éprouvettes sur la transmission de l’impulsion (source : NF EN 12504‑4)

Fréquence du transducteur (kHz)

Vitesse d’impulsion dans le béton vc (km/s) vc = 3,50

vc = 4,00

vc = 4,50

Dimension latérale minimale admissible de l’éprouvette (mm)

24

146

167

188

54

65

74

83

82

43

49

55

150

23

27

30

161

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Renforcement des fondations

FICHE

Reprise en sous-œuvre par micropieux

11.03

La reprise en sous-œuvre par micropieux consiste à un report du niveau de fondation à un niveau inférieur, où le terrain est de meilleure qualité. Le transfert de charge est assuré par des micropieux. Les micropieux, mode de fondations qui s’apparente à des fondations profondes, sont des pieux de diamètre inférieur ou égal à 250 mm (300 mm pour la norme NF EN 14199 « Exécution des travaux géotechniques spéciaux – micropieux »). Ils sont de quatre types, qui varient selon le procédé d’exécution. Les quatre types décrits ci-après sont adaptés de la norme NF EN 14199 en suivant les définitions données dans le DTU 13.2 « Fondations profondes pour le bâtiment, Partie 1 : cahier des clauses techniques ». 1

Type I

Le micropieu type I est un pieu foré tubé. Le forage est équipé ou non d’armatures, et rempli d’un mortier de ciment au tube plongeur. Le tubage est ensuite obturé en tête, et l’intérieur du tubage au-dessus du mortier mis sous pression. Le tubage est récupéré en maintenant la pression sur le mortier (fig. 11.03‑1). Le coulis, le mortier ou le béton est pompé sous pression par le tubage temporaire

Le tubage est relié progressivement au fur et à mesure du remplissage

Une pression est appliquée au sol par le coulis fluide au moment du remplissage

Fig. 11.03‑1. Injection du forage avec un tubage temporaire en appliquant une pression (source : norme NF EN 14199)

2

Type II

Le micropieu de type II est un pieu foré. Le forage est équipé d’une armature et rempli d’un coulis ou de mortier de scellement par gravité ou sous une très faible pression au moyen d’un tube plongeur. Lorsque la nature du sol le permet, le forage peut être remplacé par le lançage, le battage ou le fonçage*. 239

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FICHE 11.03 Renforcement des fondations

Reprise en sous-œuvre par micropieux L’armature est constituée : ––soit par un tube à paroi épaisse ; ––soit par des barres d’acier raccordées bout à bout ; ––soit par un faisceau de barres en acier placées à l’intérieur d’un tube en acier. 3

Type III

Le micropieu type III est un pieu foré. Le forage est équipé d’armatures et d’un système d’injection qui est un tube à manchettes mis en place dans un coulis de gaine. Si l’armature est un tube métallique, ce tube peut être équipé de manchettes et tenir lieu de système d’injection. L’injection est faite en tête à une pression supérieure ou égale à 1 MPa. Elle est globale et unitaire (IGU). Dans les sols mous, ce type de pieu doit être calculé au flambement*. Lorsque la nature du sol le permet, le forage peut être remplacé par le lançage, le battage ou le fonçage. 4

Type IV

Le micropieu type IV est un pieu foré. Le forage est équipé d’armatures et d’un système d’injection qui est un tube à manchettes mis en place dans un coulis de gaine (fig. 11.03‑2). Si l’armature est un tube métallique, ce tube peut être équipé de manchettes et tenir lieu de système d’injection. On procède à l’injection à l’obturateur simple ou double d’un coulis ou mortier de scellement à une pression d’injection supérieure ou égale à 1 MPa. L’injection est répétitive et sélective (IRS). Dans les sols mous, ce type de pieu doit être calculé au flambement. Lorsque la nature du sol le permet, le forage peut être remplacé par le lançage, le battage ou le fonçage. Coulis injecté dans un tube à manchettes

Coulis mis en place dans le forage par remplissage qui a fait prise avant injection du coulis sous pression

Tube à manchettes

Toutes les manchettes injectées simultanément avec ou sans obturateur dans le tube (obturateur absent de la figure)

Fig. 11.03‑2. Injection en une seule passe par un tube à manchettes (source : norme NF EN 14199) 240

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Renforcement des fondations

FICHE 11.03

Reprise en sous-œuvre par micropieux 5

Structures des micropieux

Un micropieu peut être installé de manière isolée, en groupe ou en réseau (fig. 11.03‑3).

Micropieu isolé

Groupes de micropieux

Réseaux de micropieux

Parois de micropieux

Fig. 11.03‑3. Exemples de structures de micropieux (source : norme NF EN 14199)

Par ailleurs, il peut être placé verticalement ou en position inclinée. Il peut venir aussi en complément d’un élargissement de semelle. La figure 11.03‑4 illustre quelques cas.

a

b

Massif d'ancrage du micropieu

Reprise par micropieu

Fig. 11.03‑4. Exemple d’utilisation de micropieux 241

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FICHE 11.03 Renforcement des fondations

Reprise en sous-œuvre par micropieux Les figures 11.03‑5 et 11.03‑6 illustrent quelques exemples de renforcement des semelles existantes par micropieux. Clavage après vérinage éventuel

Fig. 11.03‑5. Réalisation de pieux ou micropieux à travers une semelle de fondation existante (source : norme NF P 95‑106)

Chevêtre rigide Indentations de 20 mm

Massif existant

Barres de précontrainte

Précontrainte

Fig. 11.03‑6. Réalisation de pieux ou micropieux avec exécution d’un chevêtre rigide solidarisé à la semelle existante (source : norme NF P 95‑106)

6

Composition et mise en place du mortier

Le mortier et le béton pour micropieux doivent avoir : ––une grande résistance à la ségrégation ; ––une grande plasticité et une bonne cohésivité(1) ; (1) Cf. article 6.5.2 de la NF EN 14199 (septembre 2015 – indice de classement : P94‑213) : Exécution des travaux géotechniques spéciaux – Micropieux – Exécution des travaux géotechniques spéciaux. 242

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Renforcement des fondations

FICHE 11.03

Reprise en sous-œuvre par micropieux ––une bonne fluidité(2) ; ––une aptitude à l’auto-compactage ; ––une ouvrabilité* suffisante pendant la durée de leur mise en place et le retrait des tubages temporaires ; ––une résistance minimale à la compression simple au moins de classe C25/30 à 28 jours (ou à la date du premier chargement du micropieu si celui-ci est réalisé avant cette date). La composition et le dosage du mortier sont déterminés en fonction de la charge intrinsèque à obtenir. Le dosage minimal est de 500 kg de ciment par m3 de mortier, et le dosage minimal du coulis de scellement est de 1 200 kg de ciment par m3 de coulis(3). Le choix du liant tient compte des résultats d’analyse chimique des eaux prélevées dans le sol. Le forage une fois terminé est entièrement rempli de mortier au tube plongeur. Pendant la remontée du tubage, le niveau du mortier baisse du fait du remplissage des hors profils, mais il ne doit jamais se trouver au-dessous du bas du tubage. Les photos 11.03‑1 à 11.03‑3 illustrent un exemple de chantier de mise en place de micropieux pour renforcer un sol.

Photo 11.03‑1. Équipements d’un atelier : malaxeur et pompe à injection

Photo 11.03‑2. Opération de forage et tube d’injection

(2)  Idem (1). (3)  NF DTU 13.2 (septembre 1992 – indice de classement : P11‑212) : Travaux de bâtiment – Travaux de fondations profondes pour le bâtiment – Partie 1 : cahier des clauses techniques. 243

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FICHE 11.03 Renforcement des fondations

Reprise en sous-œuvre par micropieux

Photo 11.03‑3. Manomètre de contrôle de pression et micropieu achevé

244

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Table des matières Sommaire................................................................................................. 5 Sommaire graphique................................................................................. 7 Avant-propos............................................................................................ 11 À propos des auteurs et remerciements...................................................... 13 Sigles et abréviations................................................................................. 15 Introduction.............................................................................................. 17 Partie 1

Origines et prévention des désordres et des dégradations......................................................................... 31

Chapitre 1

Dégradations d’origine chimique...................................................... 33

Fiche 1.01

Carbonatation du béton...................................................................... 35

Fiche 1.02

Attaque par les chlorures.................................................................... 41

Fiche 1.03

Attaque par les sulfates....................................................................... 45

Fiche 1.04

Attaque par les acides.......................................................................... 49

Fiche 1.05

Alcali-réactions..................................................................................... 51

Fiche 1.06

Corrosion de l’acier............................................................................. 55

Fiche 1.07

Classes d’exposition............................................................................. 59

Chapitre 2

Dégradations d’origine mécanique.................................................. 65

Fiche 2.01

Surcharges d’exploitation................................................................... 67

Fiche 2.02

Concentration des efforts.................................................................... 69

Fiche 2.03

Fluage du béton.................................................................................... 71

Fiche 2.04

Déformations du support.................................................................... 73

Fiche 2.05

Désordres au niveau des fondations.................................................. 75

Fiche 2.06

Désordres liés aux travaux de voisinage........................................... 77

Chapitre 3

Dégradations d’origine physico-chimique et physique................. 79

Fiche 3.01

Effet des sols gonflants........................................................................ 81 257

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé

Fiche 3.02

Action des cycles de gel/dégel............................................................. 91

Fiche 3.03

Retraits.................................................................................................. 93

Chapitre 4

Dégradations dues aux défauts de conception, de calcul, d’exécution et d’exploitation.............................................................. 97

Fiche 4.01

Erreurs de conception et de calcul..................................................... 99

Fiche 4.02

Cas de la poussée au vide des armatures.......................................... 101

Fiche 4.03

Dégradations et désordres dus aux défauts d’exécution................ 103

Fiche 4.04

Désordres dus au manque d’entretien.............................................. 105

Fiche 4.05

Désordres dus à des actions accidentelles......................................... 107

Partie 2

Techniques de diagnostic................................................................ 109

Chapitre 5

Méthodologie de diagnostic.............................................................. 111

5.1

Définition et principales étapes.......................................................... 111

5.1.1 Définition................................................................................................. 111

5.1.2

Principales étapes...................................................................................... 112

5.2

Visite préliminaire................................................................................ 112

5.3

Collecte des documents....................................................................... 113

5.4

Inspection visuelle................................................................................ 113

5.5

Évaluation détaillée par matériels d’expertise................................ 117

5.6

Campagne d’évaluation...................................................................... 118

5.7

Conclusions sur l’état de l’ouvrage................................................... 120

Chapitre 6

Méthodes et essais............................................................................ 121

Fiche 6.01

Moyens de contrôle des fissures......................................................... 123

Fiche 6.02

Détection des armatures...................................................................... 131

Fiche 6.03

Mesure du potentiel de corrosion...................................................... 135

Fiche 6.04

Détermination de la profondeur de carbonatation......................... 141

Fiche 6.05

Mesure de dureté superficielle au scléromètre................................ 147

Fiche 6.06

Détermination de la vitesse de propagation du son (ultrasons).... 153

Fiche 6.07

Prélèvement de carottes de béton...................................................... 163

258

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Table des matières

Partie 3

Méthodes et techniques de réparation et de renforcement.......................................................................... 171

Chapitre 7

Principes et matériaux....................................................................... 173

7.1

Principes et méthodes.......................................................................... 174

7.2 Matériaux.............................................................................................. 176

7.2.1 Exigences................................................................................................. 176

7.2.2

Compatibilité des matériaux...................................................................... 177

7.2.3

Produits de réparation de surface............................................................... 177

7.2.4

Produits de collage structural (NF EN 1504‑4)........................................... 178

7.2.5

Produits d’injection (NF EN 1504‑5)......................................................... 178

7.3

Choix des matériaux............................................................................ 179

Chapitre 8

Travaux préparatoires........................................................................ 181

Fiche 8.01

Préparation du support....................................................................... 183

Fiche 8.02

Nettoyage............................................................................................... 187

Fiche 8.03

Préparation des armatures................................................................. 189

Fiche 8.04

Préparation et mise en œuvre des produits à base de liants.......... 191

Chapitre 9

Techniques de réparation.................................................................. 193

Fiche 9.01

Mortier et béton appliqués à la main................................................ 195

Fiche 9.02

Mortier et béton coulés........................................................................ 197

Fiche 9.03

Béton projeté......................................................................................... 203

Fiche 9.04

Traitement des fissures et joints......................................................... 209

Chapitre 10

Techniques de renforcement............................................................ 215

Fiche 10.01

Renforcement par plaques collées..................................................... 217

Fiche 10.02

Renforcement par béton rapporté (chemisage)............................... 219

Fiche 10.03

Renforcement par fibres synthétiques.............................................. 227

Fiche 10.04

Renforcement par lamelles en fibres de carbone............................ 229

Fiche 10.05

Renforcement par tissu en fibres de carbone................................... 231

259

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé

Chapitre 11

Renforcement des fondations.......................................................... 233

Fiche 11.01

Augmentation de la surface de la semelle......................................... 235

Fiche 11.02

Traitement des terrains de fondation par injection........................ 237

Fiche 11.03

Reprise en sous-œuvre par micropieux............................................. 239 Glossaire................................................................................................... 245 Bibliographie............................................................................................ 249 Index........................................................................................................ 253

260

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Le béton armé est un matériau hétérogène, puisque constitué de béton et d’armatures en acier. Inerte, il évolue dans le temps, subissant des changements constants : dilatations, fissures, ruptures, etc. Cet ouvrage permet de diagnostiquer les dégradations, désordres et pathologies éventuelles, et de mettre en œuvre un entretien ou une réparation adapté. Ainsi, au moyen de fiches pratiques richement illustrées, cet ouvrage : – explique la notion de durabilité d’un ouvrage, puis liste les désordres courants des constructions (bullage, écaillage, ségrégation, fissures, etc.) ; – détaille les mécanismes de dégradations chimiques (carbonatation, attaques par les chlorures, les sulfates ou les acides, corrosion de l’acier, etc.) et leurs conséquences ; – présente les classes d’exposition d’attaques chimiques (XA, XC, XD, etc.) ; – décrit les dégradations mécaniques et physiques, constituées en majorité des surcharges, sols gonflants et du phénomène de gel/dégel ; – expose les dégradations dues au défaut de conception, d’exécution ou d’exploitation ; – développe la méthodologie et les principales étapes d’un diagnostic, puis analyse les méthodes non destructives utilisées pour le contrôle des fissures, par exemple, ou partiellement destructives, comme le carottage ; – fournit les techniques de réparation (liants et résines en surface, béton coulé ou projeté, traitement des fissures), et de renforcement des poteaux, poutres, dalles et fondations par des plaques, du béton rapporté, ou des fibres synthétiques.

En début d’ouvrage, un sommaire graphique renvoyant aux fiches pratiques permet d’identifier visuellement les désordres et dégradations, et ainsi de déterminer les essais, réparations et renforcements à effectuer selon les situations. Cet ouvrage s’adresse aux techniciens et ingénieurs spécialisés, aux enseignants, formateurs, et étudiants. Il accompagnera dans l’accomplissement de leurs missions les chargés d’étude, de la surveillance, de l’entretien et de la réparation des ouvrages en béton ainsi que les ingénieurs et techniciens de laboratoires ou des entreprises de construction.

Sommaire c Partie 1. Origines et prévention des désordres et des dégradations 1. Dégradations d’origine chimique 2. Dégradations d’origine mécanique 3. Dégradations d’origine physico-chimique et physique 4. Dégradations dues aux défauts de conception, de calcul, d’exécution et d’exploitation c Partie 2. Techniques de diagnostic 5. Méthodologie de diagnostic 6. Méthodes et essais c Partie 3. Méthodes et techniques de réparation et de renforcement 7. Principes et matériaux 8. Travaux préparatoires 9. Techniques de réparation 10. Techniques de renforcement 11. Renforcement des fondations

Omrane Benjeddou

Mehrez Khemakhem

Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé en 44 fiches pratiques

Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé en 44 fiches pratiques

ISSN 2262-5089 ISBN 978-2-281-14378-2

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E Photographie de couverture © kebox, Adobe Stock, 2020

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages

en béton armé

en 44 fiches pratiques

Mehrez Khemakhem Omrane Benjeddou

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E EXPERTISE TECHNIQUE

17/02/2020 14:51

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Diagnostic, entretien et réparation des ouvrages en béton armé en 44 fiches pratiques  

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