Contribution à l'estimation de la résistance en flexion de poutres en béton précontraint avec prise en compte de la corrosion d'armature

Prestress and bearing capacity loss of pre-tensioned concrete beams due to corrosion cracks

• Auteur / Autrice : Lizhao Dai
• Direction : Michel Potier-Ferry, Jianren Zhang, Hanbing Bian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Changsha University of Science and Technology (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Burlion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Potier-Ferry, Hanbing Bian, Jean-Paul Balayssac, Wen Chen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Balayssac, François Buyle-Bodin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ouvrages d'art

Béton -- Fissuration

Flexion (mécanique)

Corrosion

Poutres en béton précontraint

Mots clés libres

Ponts

Poutres en béton précontraint

Corrosion

Fissuration

Chute de précontrainte

Résistance en flexion

Bridge engineering

Pre-tensioned concrete beams

Corrosion

Corrosion-induced cracking

Prestress loss

Flexural capacity

Résumé

Les ponts sont des structures destinées au franchissement des obstacles et ayant généralement une portée plus large que ces obstacles. Ils jouent un rôle clé dans le trafic terrestre. Le béton précontraint est largement utilisé dans la construction des ponts. Cependant, vu les échanges de masse avec l’environnement (eau, CO2 et autres agents chimiques ...), les armatures de précontrainte ont tendance à se corroder. Comme le produit corrodé a un volume plus important que le matériau sain, la corrosion peut provoquer des fissurations dans les enrobages en béton, et par conséquence, la dégradation de la structure et sa capacité de la résistance. La sécurité et la durabilité de la structure sont alors menacées. La présente étude a été menée pour bien comprendre et bien maîtriser cette pathologie dans les structures en béton précontraint. On étudiera la capacité de résistance de poutres en béton précontraint en prenant en compte l’influence de la corrosion. Ce mémoire est composé de 6 chapitres. D’abord, une analyse bibliographique est menée dans le premier chapitre. Puis, dans le chapitre deux, la relation entre l’ouverture des fissures et le taux de remplissage du produit corrodé dans les fissures a été établie par une approche expérimentale, notamment par l'essai de corrosion accélérée. Cette équation empirique est validée par des données expérimentales. Les résultats expérimentaux montrent que le taux de remplissage du produit de corrosion a un fort lien avec l’ouverture de la fissure, jusqu'à une valeur critique. Lorsque l’armature transversale est utilisée, l’ouverture critique diminue de 20% par rapport au cas sans armature transversale. Ensuite, dans le chapitre trois, l'influence du niveau de précontrainte sur l’ouverture de fissuration est étudiée à la fois par des approches expérimentales et analytiques. On présentera d’abord les essais de corrosion accélérée sur des poutres avec différents niveaux de précontrainte. Puis un modèle analytique prenant en compte les effets couplés de la précontrainte et de la corrosion des armatures, est proposé pour prédire le processus global de fissuration de l’enrobage. Les résultats montrent que la précontrainte peut accélérer le processus de fissuration induit par la corrosion. En faisant varier la précontrainte de 0 à 75% de la résistance d’armature, le temps correspondant à l’amorçage de fissuration diminue de 22% et le taux de propagation de la fissure augmente de 9%. Dans le chapitre quatre, un modèle est proposé pour prédire la perte de précontrainte à cause de la corrosion dans les poutres en béton précontraint. Des essais de flexion à quatre points ont été réalisés sur huit poutres en béton précontraint sous différents niveaux de précontrainte, avec des armatures corrodées. Les résultats expérimentaux sont utilisés pour valider le modèle proposé. La chute de précontrainte dans les poutres et la résistance mécanique ont un fort lien avec la corrosion. Lorsque le niveau de corrosion est inférieur à 6,6%, il n’y a pas de perte de résistance significative. Puis, avec l’augmentation du taux de corrosion, la résistance des liaisons béton-armature et la précontrainte effective diminuent progressivement, jusqu'à zéro lorsque le niveau de corrosion atteint 34%. Finalement, dans le cinquième chapitre, un modèle analytique pour prédire la résistance en flexion de poutres en béton précontraint corrodées a été proposé. Dans ce modèle, la réduction de la section d’armature, la détérioration des matériaux, la fissuration du béton et la dégradation des liaisons entre béton et armature ont été pris en compte. Le modèle proposé est validé par les résultats expérimentaux. A partir de 5,5%, la résistance en flexion a été fortement perturbée par la corrosion d’armature. Le dernier chapitre présente les conclusions générales et les perspectives.

Bridges, as the structures built to cross obstacles and generally has a relative larger span, play a key role in the road traffic. Pre-tensioned concrete structure is widely used in the bridge construction due to its superiority and advantages. However, with the mass exchange of its environment (water, CO2 and other chemical agents), the prestressing strand would be easy to corrode. Strand corrosion can cause concrete cracking, degrade the bond performance at the strand-concrete interface, lead to prestress loss, and deteriorate the capacity of beams. The present study mainly focuses on the concrete cracking, prestress loss and flexural capacity of pre-tensioned concrete beams after strand corrosion. The main research works are as follows: (1) The relationship between corrosion-induced crack widths and filling proportion of corrosion products has been established. The effect of stirrups on corrosion-induced cracking has also been investigated. An empirical model for crack width, considering the filling proportion of corrosion products and twisting shape of strand, is developed. The proposed model is validated by experimental data. Results show that the filling of corrosion products extends with crack propagation until a critical width. Beyond the critical width, the rust filling extent keeps stable. When the stirrups are used, the critical crack width decreases by 20%, comparing to that without stirrups. (2) The influence of prestress on the strand corrosion-induced concrete cracking is investigated by both experimental and analytical approaches. Experimental data on the critical time of cover cracking, crack width and corrosion loss obtained from the accelerated corrosion test are presented. An analytical model, incorporating the coupled effects of prestress and strand corrosion, is proposed to predict the global process of concrete cracking from initiation to propagation. Results show that prestress can accelerate the corrosion-induced cracking process. By varying prestress from 0 to 75% of strand tensile strength, the critical time of cover cracking decreases by 22% and the crack propagation rate increases by 9%. It is found that the proposed model is accurate in predicting corrosion-induced crack width in prestressed concrete beams. (3) A novel model is proposed to predict the corrosion-induced prestress loss in pre-tensioned concrete beams. The coupling effects of concrete cracking and bond degradation are included into the model. The effective prestress in eight corroded pre-tensioned concrete beams under various stress levels is conducted by the four-point flexural test. Experimental results are employed to verify the proposed model. Prestress loss in corroded pre-tensioned concrete beams depends on corrosion level. Corrosion-induced concrete cracking may not degrade bond strength and effective prestress unless the corrosion level exceeds 6.6%. As corrosion further progresses, bond strength and effective prestress reduce monotonically, and then decrease to zero when the corrosion level reaches 34.0%. (4) An analytical model, incorporating the effects of strand cross-section reduction, material deterioration, concrete cracking and bond degradation, is developed to predict the flexural capacity of corroded prestressed concrete beams. Additionally, the effects of flexural cracks are also included in the model. An equivalent bond stress concept is introduced to consider the effect of flexural cracks, which is further implemented into the flexural capacity prediction of corroded PC beams. The proposed model is validated by the experimental results collected from the previous studies. The flexural capacity deterioration of prestressed concrete beams depends on corrosion degree. Strand corrosion less than 5.5% leads to a slight decrement of flexural capacity. As corrosion progresses, the flexural capacity will exhibit a significant deterioration.