Figure 1 : Barre d'armature à section carrée déformée
Examinez attentivement les matériaux, les détails et les techniques de construction historiques pour concevoir les réparations appropriées.
La tendance actuellevers la revitalisation des quartiers du centre-ville de nombreuses villes a entraîné un changement dans l'utilisation des bâtiments industriels en béton armé vers des condominiums ou des immeubles de bureaux. De nombreuses villes ont également des ponts et d'autres structures de génie civil qui approchent l'âge de 100 ans. L'évaluation de ces structures est nécessaire en raison de ce changement d'utilisation, en particulier lorsque des ajouts ou des modifications entraînent des contraintes accrues ou des chemins de charge différents. De plus, la réparation peut être rendue nécessaire par la détérioration des armatures ou du béton au fil du temps, la variation de la qualité d'origine des matériaux ou des mécanismes de dégradation délétères causés par l'utilisation de matériaux inappropriés.
Histoire des structures en béton armé
Bien que la technologie du béton ait été développée et utilisée depuis l'époque romaine, les structures en béton armé étaient rares aux États-Unis avant 1905, mais l'utilisation du béton armé pour les grandes structures est rapidement devenue un moyen de construction économique (Gaudette et Slaton, 2007). De plus, de plus en plus d'usines, d'entrepôts et d'installations agricoles ont commencé à utiliser ce «nouveau» matériau dans les années 1910 et 1920 pour éviter les problèmes d'inflammabilité attribués aux structures en bois.
L'élaboration de normes et de spécifications de matériaux s'est produite parallèlement à l'utilisation accrue du béton armé. Le Joint Committee on Reinforced Concrete a été créé en 1904 avant la fondation de l'Association nationale des utilisateurs de ciment (qui deviendra plus tard l'American Concrete Institute (ACI)) (Kerekes et Reid, 1954) pour organiser les différentes entités recherchant les propriétés du béton, développer des méthodes d'analyse et d'essai, et soutenir la recherche.
La première tentative d'élaboration d'un code pour le béton armé a eu lieu en 1907. Dans les années 1920, les codes établis par l'ACI étaient régulièrement discutés et révisés en fonction de l'assemblage de la recherche appliquée et des pratiques industrielles en développement. De plus, les codes du bâtiment locaux, tels que ceux disponibles pour Boston, New York et Chicago, fournissaient des contraintes de béton admissibles ainsi que des charges de conception minimales qui auraient été utilisées dans les juridictions respectives.
L'armature du béton est devenue facilement disponible après 1900 et les spécifications de ces barres ont été élaborées par l'Association of American Steel Manufacturers en 1910 et ont ensuite été adoptées par l'American Society for Testing and Materials en 1911 (CRSI, 2001). L'armature en acier était disponible en barres rondes et carrées avec des barres rondes déformées disponibles de 1/4 à 1 pouce de diamètre et des barres carrées disponibles en 1/2, 1, 1-1/8 et 1-1/4 -pouces (Figure 1). Des treillis métalliques en acier étiré à froid et d'autres systèmes exclusifs étaient également couramment disponibles pour le renforcement des sols en béton.
Évaluation des structures en béton existantes
L'ACI a développé l'ACI 562 (ACI, 2016) pour fournir des exigences minimales pour l'évaluation des structures en béton existantes et le développement ultérieur des réparations. Ce document n'a pas encore été adopté dans le cadre du code du bâtiment, mais dans l'intervalle, il peut être utilisé par les professionnels de la conception pour fournir des conseils sur l'évaluation des structures en béton armé existantes et historiques. Le processus d'évaluation exact entrepris dépendra de l'utilisation prévue pour le bâtiment, de l'étendue des conditions de détérioration et de l'impact des changements sur le chemin de charge.
L'évaluation d'un ouvrage comprend généralement un examen des documents disponibles, s'ils sont disponibles. Les documents de construction peuvent fournir des informations utiles sur la taille et l'espacement des armatures, la géométrie de base et les détails aux connexions. L'examen des codes et des normes historiques du bâtiment applicables au moment de la construction peut également fournir des informations utiles à l'évaluation de la structure.
Il est important de considérer que des modifications peuvent avoir été apportées pendant ou après la construction d'origine, de sorte que les plans de construction disponibles ne sont plus exacts. Des informations sur la construction d'origine peuvent également avoir été perdues au fil du temps, de sorte qu'une vérification de la structure d'origine est nécessaire. Cela peut nécessiter une ou plusieurs méthodes d'évaluation, y compris l'inspection visuelle, la mesure et les relevés radar ferromagnétiques ou à pénétration de sol de l'armature. Toute technique non destructive d'évaluation des conditions non directement observables en surface doit également être vérifiée par un nombre plus limité d'ouvertures d'investigation destructives pouvant être réparées dans le cadre d'une phase ultérieure.
L'évaluation sur site doit déterminer l'étendue des problèmes et l'étendue correspondante des réparations requises. L'inspection visuelle rapprochée est la technique d'évaluation la plus fréquemment utilisée et fournit de nombreuses informations sur l'état de la structure, mais elle est limitée aux surfaces exposées et accessibles. Les techniques d'observation visuelle peuvent être complétées par un sondage mécanique pour identifier les emplacements de détresse sous-jacente peu profonde du béton, comme le délaminage dû à la corrosion de l'armature sous-jacente.
Des noyaux en béton peuvent être obtenus et testés en compression pour évaluer la résistance du béton (Figure 2). Les valeurs minimales des résistances à la compression du béton sont fournies dans l'ACI 562. Des informations similaires sont disponibles pour déterminer le rendement en traction minimal et la résistance ultime des barres d'armature. Des essais de traction peuvent être justifiés si une évaluation précise de la capacité structurelle est requise.
De nombreux tests sur le terrain et en laboratoire peuvent être appliqués aux structures en béton historiques pour identifier les conditions potentiellement problématiques. Cela comprend les tests de carbonatation, les tests de chlorure et les analyses pétrographiques. Les essais de carbonatation peuvent être utilisés pour évaluer le potentiel de corrosion accélérée de l'armature. La carbonatation est un processus lent par lequel le béton (en présence d'humidité) réagit avec le dioxyde de carbone dans l'air, réduisant ainsi le pH du béton. Sur un siècle, la profondeur de carbonatation peut être de l'ordre de plusieurs centimètres selon la qualité du béton. Si des barres d'armature sont présentes dans le béton carbonaté, le film d'oxyde protecteur normalement présent dans le béton est absent, laissant la surface de l'acier potentiellement active pour la corrosion.
Les tests de chlorure peuvent être effectués à l'aide d'échantillons de poudre ou de carottes afin que la teneur en chlorure puisse être déterminée à plusieurs profondeurs. Si la teneur en chlorure est relativement uniforme à chaque profondeur, cela peut suggérer que le chlorure peut avoir été inclus en tant que mélange ou introduit à travers les matériaux. Un profil de chlorure décroissant avec la profondeur suggérerait que les chlorures sont introduits au fil du temps à partir de la surface par les embruns marins ou les sels de déglaçage. Des lignes directrices sont disponibles pour déterminer si le niveau de chlorure à la profondeur de l'armature est suffisant pour entraîner la corrosion.
L'analyse pétrographique d'échantillons de carottes rodés peut être utilisée pour identifier de nombreux types de détresse de matériaux en béton, y compris les réactions alcali-agrégats et l'attaque des sulfates, entre autres. Il peut également être utilisé pour évaluer qualitativement la présence d'air entraîné. Les adjuvants entraîneurs d'air n'ont été développés qu'au milieu des années 1930 (Portland Cement Association). Pour les structures en béton plus anciennes ou les structures où des adjuvants entraîneurs d'air n'ont pas été utilisés, une grande partie de la structure vide du béton est due à l'air emprisonné plutôt qu'à l'air entraîné, et la capacité de résister à la détresse due au gel-dégel est diminuée.
Problèmes courants
Renforcement - La corrosion du renforcement existant est la condition la plus couramment rencontrée dans les structures historiques en béton armé. La corrosion de l'armature peut entraîner un délaminage et un écaillage du béton, en particulier lorsque l'armature a une couverture minimale. Une compréhension approfondie de la cause de la corrosion et si le taux de corrosion est susceptible d'augmenter est important pour développer des réparations qui réduiront le taux de corrosion.
Agrégats de béton et adjuvants - Les premières structures en béton utilisaient souvent des agrégats trouvés localement. La capacité du béton à protéger l'armature de la corrosion n'était pas entièrement comprise lorsque les structures en béton armé ont commencé à être largement construites et que le chlorure de sodium présent dans l'eau de gâchage ou les granulats fins n'était pas limité par les codes de construction initiaux à condition que les chlorures ne réduisent pas la compression. résistance du béton, comme cela peut se produire à des concentrations très élevées. Le chlorure de calcium était également largement utilisé car il attirait l'humidité de l'air pour aider au durcissem*nt et accélérait également le taux d'augmentation de la résistance du béton.
La gradation globale n'était pas aussi étroitement contrôlée que dans la pratique actuelle. De très gros agrégats, y compris la taille d'une balle de baseball ou plus, sont parfois observés dans les structures en béton armé d'il y a un siècle, bien que l'ACI ait limité la taille maximale de l'agrégat (la taille dont 95% en poids du matériau peut être dépassé) à pas plus de un cinquième de la dimension la plus étroite entre les coffrages ou les trois quarts de l'espace libre minimal entre les barres d'armature (ACI, 1925). La granulométrie des agrégats peut également affecter la proportion relative de pâte de ciment.
Mise en place — La mise en place du béton a été réalisée sans vibration interne. En tant que tel, la consolidation du béton par bêchage ou bourrage était nécessaire périodiquement tout au long de la mise en place du béton. Avec la variation de la gradation des agrégats, cette méthode de placement peut entraîner des régions importantes de vides ou de nids d'abeilles. Le nid d'abeilles peut entraîner une discontinuité du chemin de charge si la taille de la région vide est importante. De plus, les vides réduisent la couverture de béton sur les barres d'armature et peuvent entraîner une rétention d'humidité accrue.
Les joints de construction sont fréquemment observés dans les structures en béton historiques à des endroits où ils ne se trouvent généralement pas aujourd'hui. Bien que les codes disponibles exigent que la laitance et les matériaux insalubres soient enlevés avant de placer le nouveau béton en contact avec le béton précédemment mis en place, des fissures, des fuites et des efflorescences sont fréquemment observées le long de ces joints.
Réparations
Il y a plusieurs considérations en ce qui concerne la conception des réparations. Ces considérations reflètent non seulement les contraintes techniques mais aussi le coût et le niveau de durabilité approprié de la réparation qui est souhaité par le propriétaire. Trop souvent, on accorde trop d'importance à la résistance à la compression, et particulièrement à l'obtention d'une résistance élevée à un âge précoce. Bien qu'il soit important de restaurer la capacité globale de la structure, il n'est généralement pas nécessaire d'utiliser des matériaux de réparation à très haute résistance (et donc à haute rigidité) qui ne sont pas compatibles avec le béton historique existant. Le processus de sélection d'un matériau de réparation doit tenir compte du transfert des contraintes à travers les interfaces collées au périmètre des réparations, du potentiel de retrait du mortier de réparation et de la capacité du nouveau mortier de réparation à protéger l'armature.
Les armatures exposées pendant le processus de réparation peuvent être protégées, complétées ou remplacées en fonction de leur état. Il existe de nombreuses méthodes pour protéger les barres d'armature existantes contre la corrosion supplémentaire. Chaque méthode doit être considérée en fonction des propriétés du béton, de l'exposition du bâtiment à l'environnement, du niveau actuel de chlorures et de la profondeur de carbonatation. L'établissem*nt de procédures pour maintenir la continuité de l'armature existante doit également être considéré lors du processus de conception, d'autant plus que l'utilisation de barres d'armature lisses (ou non déformées) était beaucoup plus répandue.
L'esthétique des réparations peut être plus préoccupante dans une structure historique que dans une structure moderne. Des planches irrégulières et des coffrages métalliques légers étaient fréquemment utilisés. Les matériaux de forme modernes, qui sont généralement beaucoup plus lisses, peuvent ne pas convenir. L'utilisation de matériaux de coffrage historiquement appropriés rendra les emplacements de réparation beaucoup moins évidents, mais augmentera le coût global de la réparation. Les couleurs du béton peuvent également être adaptées si elles sont soigneusem*nt contrôlées.
Résumé
L'évaluation des structures en béton historiques nécessite un examen attentif des matériaux, des détails et des aspects de construction, car la technologie du béton armé a rapidement émergé au cours du siècle dernier. Une évaluation approfondie est nécessaire pour développer des réparations appropriées. La longévité de ces structures démontre la pertinence du béton armé comme matériau de construction. Des réparations conçues de manière appropriée devraient garantir que ces structures impressionnantes pourront être entretenues dans le futur.
David Schnerch, Ph.D., P.E.,est associé principal chez Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc. (www.wje.com) En Boston.
