Influence des défauts de mise en place du béton et des fissures fonctionnelles transversales sur la corrosion des armatures des structures en béton exposées aux chlorures

Effect of top-casting defects and transverse cracks on the corrosion behavior of steel in reinforced concrete exposed to chloride environment

• Auteur / Autrice : Wulong Zhang
• Direction : Raoul François
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 09/04/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raoul François, Kefei Li, Wenjun Zhu, Linwen Yu, Chaohui Chen, Jean-Philippe Charron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kefei Li, Wenjun Zhu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton armé

Chlorures

Mots clés libres

Corrosion de l'acier

Chlorures

Béton armé

Défauts de mise en place

Interface acier-Béton

Fissures transversales

Corrosion of steel

Chlorides

Reinforced concrete

Top-Cast defects

Steel concrete interface

Transverse cracks

Résumé

Le but de la thèse est d'étudier le comportement à la corrosion des armatures en acier dans le béton exposé aux chlorures, en relation avec l'impact des défauts induits par la mise en place du béton pour les armatures situées en haut de coffrage, et en relation avec la fissuration transversale artificielle ou induite par le chargement mécanique.Trois parties principales sont incluses dans cette thèse. La première partie étudie les caractéristiques de l'interface acier-béton, y compris la distribution des bulles d'air à l'interface acier-béton, les propriétés des défauts d’interface dus au ressuage du béton frais et la microstructure des produits d'hydratation du ciment à l'interface acier-béton, et l’influence des défauts de mise en place des barres supérieures sur la pénétration des ions chlorure à l'interface acier-béton. La deuxième partie étudie l'effet des défauts de mise en place sous les barres supérieures et des fissures artificielles sur le comportement à la corrosion des armatures en acier au début de la période de corrosion en présence de chlorures, incluant la distribution de la corrosion par piqûres et l'analyse cinétique du processus de corrosion. La troisième partie discute de l'influence des défauts de mise en place sous les barres supérieures sur le comportement à la corrosion des armatures de poutres naturellement corrodées sous une charge maintenue pendant une durée d'exposition relativement longue, y compris les cartes de fissuration induite par la corrosion, les profils de chlorures, les pertes de section d'acier et la répartition de la corrosion le long des armatures en acier.Selon les résultats expérimentaux de la première partie, il a été constaté que des bulles d'air sont principalement apparues à l'emplacement de la zone de nervure du côté inférieur de l'acier haute adhérence selon la direction de coulage. Des vides de ressuage sont toujours apparus dans la zone inférieure de l'interface acier-béton, tandis que la zone supérieure de l’interface acier-béton était plus dense que celle de l'interface inférieure. Les cristaux de Portlandite et d’Ettringite sont principalement formés et développés à l'interface inférieure acier-béton. La présence de vides de ressuage a facilité le transport des ions chlorure à l'interface acier-béton.Dans le cas de la deuxième partie, la corrosion s'est amorcée du côté inférieur des barres d'armature en acier selon la direction de coulage. Les barres d'acier dans le béton avec fissure artificielle présentaient un taux de corrosion plus élevé que les barres d'acier dans le béton sans fissure artificielle au début de la période.Pour la troisième partie, les défauts de mise en place pour les barres supérieures sont le facteur d'impact le plus significatif accélérant la détérioration du béton armé. Dans le cas des barres de compression, présentant des défauts de coulage, bien que la distribution de la corrosion soit aléatoire, la corrosion était susceptible de se produire du côté inférieur des barres de compression faisant face aux défaut de ressuage. Après le développement des fissures induites par la corrosion, la corrosion s'est progressivement développée tout autour du périmètre des barres d'armature, de sorte que le défaut de coulage n'a plus affecté le processus de corrosion. Dans le cas des barres en traction, avec des défauts de coulage, la corrosion commence aux fissures de service et se développe ensuite préférentiellement à la surface inférieure de la barre. Sans défauts, la corrosion commence aux fissures de service mais ne se développe pas le long des barres de traction. Ce n'est que lorsque la teneur en chlorures à la profondeur de l'armature atteint une valeur critique que la corrosion se développe le long de la barre tendue, de préférence à la surface extérieure de la barre en raison de sa teneur en chlorures probablement plus élevée.

The purpose of the thesis is to investigate the corrosion behavior of reinforcing steel in concrete under chloride environment, in relation to the impact of top-casting-induced defects in the steel-concrete interface, artificial transverse crack and load-induced transverse cracks.Three main parts are included in this thesis. The first part investigates the characteristics of steel-concrete interface, including the distribution of air bubbles at steel-concrete interface, the properties of bleed water voids and the microstructure of cement hydration products at steel-concrete interface, and the effect of top-casting defects on the chloride ions penetration at steel-concrete interface. The second part studies the effect of top-casting defects and artificial crack on the corrosion behavior of steel rebars in early corrosion period under chloride environment, containing the pitting corrosion distribution and the kinetic process analysis of steel rebar in concrete. The third part discusses the influence of top-casting-induced defects on the corrosion behavior of reinforcing steel of naturally corroded beams under sustained loading in a relative long exposure term, including the cracking maps of RC beams, the chloride profiles, the cross-sectional loss of reinforcing steel and the distribution of corrosion on steel rebars.According to the experimental results from the first part, it was found that, air bubbles mainly appeared at the location of the rib zone of the bottom side of deformed steel according to the casting direction. Bleed water voids always appeared at the bottom interface of steel-concrete, while the top interface of steel-concrete was denser compared to that of the bottom interface. Portlandite crystals and ettringites mainly nucleated and grown at the bottom interface of steel-concrete. The presence of bleed water voids facilitated the transportation of chloride ions at the steel-concrete interface.In the case of the second part, corrosion mainly initiated at the location of rib zone of the bottom side of steel rebar according to the casting direction due to the presence of top-casting defects. The steel bars in concrete with artificial crack exhibited a higher corrosion rate corrosion compared to the steel bars in concrete without artificial crack in early period. However, after this period, a similar corrosion rate was identified for steel rebars in concrete with or without artificial crack.For the third part, top-casting defects are the most significantly impacting factor accelerating the deterioration of reinforced concrete. In the case of compressive bars, with top-casting defects, although the distribution of corrosion was random, corrosion was manly prone to occur at the bottom side of compressive bars facing top-casting defects. Without top-casting defects, the corrosion was more prominent on the outside part of rebars facing the concrete surface exposed to chloride ingress. After the presence of corrosion-induced cracks, corrosion gradually developed all around the perimeter of rebars, with the result that top-casting defect no longer affected the corrosion process. In the case of tensile bars, with top-casting-induced defects, corrosion starts at service cracks and then develops preferentially at the bottom surface of the tensile bar. Without top-casting defects, corrosion starts at service cracks but does not develop along the tensile bars. It is only when the chloride content at the depth of reinforcement reaches a critical value that corrosion develops along the tensile bar-preferentially at the outside surface of the rebar because of its probable higher chloride content.