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Chapitre 3 Évaluation de l’intégrité des surfaces préparées

Table des matières

Tel que mentionné dans la revue de documentation, diverses méthodes de préparation sont disponibles afin d’enlever le béton endommagé sur une structure existante. Toutefois, aucune étude ne s’est attardée à évaluer l’effet de ces méthodes sur la résistance résiduelle de la surface préparée. L’objectif principal de ce premier volet expérimental est de quantifier l’effet des méthodes de préparation de surface courantes sur l’intégrité d’une surface en béton.

Afin de répondre à l’objectif mentionné auparavant, une évaluation physique de l’intégrité des surfaces préparées a d’abord été réalisée par l’entremise d’observations au microscope binoculaire et d’essais d’absorption capillaire. Par la suite, une évaluation mécanique des surfaces préparées a été réalisée par des essais de cohésion en traction afin d’évaluer l’influence de l’intégrité physique sur la résistance des surfaces préparées. La fiabilité et la reproductibilité de l’essai de cohésion en traction ont par le fait même été évalués. La description des corps d’épreuves ainsi que les méthodes de préparation qui ont été utilisées sont explicitées dans les paragraphes qui suivent. De plus, les procédures pour réaliser les observations au microscope binoculaire, les essais d’absorption capillaire et les essais de cohésion en traction y sont présentées.

Afin de réaliser les divers essais qu’englobe ce premier volet expérimental, neuf supports en béton d’environ 61 cm × 91 cm × 61 cm, fabriqués à l’hiver 2001, ont été utilisés. Deux séries de préparation de surface ont été réalisées sur les supports. Pour la première série d’essais (série 1), les préparations qui ont été réalisées sont les suivantes : polissage (POL), jet de sable (SAB), scarification (SCA), hydrodémolition (HYD) et marteau pneumatique suivi d’un jet de sable (MPS). La scarification a été réalisée dans les deux directions, soit longitudinalement et transversalement, sur deux supports. Un support scarifié a été utilisé pour chacune des deux séries d’essais. Pour le marteau pneumatique, trois poids différents ont été utilisés, soit 7, 14 et 21 kg. Les préparations obtenues sont identifiées ainsi : MP7S, MP14S et MP21S. Une surface finie à la truelle (NAT) a également été utilisée comme témoin. Lors de la seconde série d’essais (série 2), les préparations ont été effectuées sur la face opposée à celle réparée sur les mêmes supports. Seules les préparations SAB, SCA, HYD, MP7 et MP14 ont été réalisées, sans passage du jet de sable pour les deux dernières préparations. La pression d’eau utilisée pour préparer les surfaces hydrodémolies était d’environ 100-130 MPa. Lors des essais de cohésion en traction, les supports étaient âgés d’environ 18 mois et 33 mois respectivement pour les essais de la série 1 et de la série 2.

Les observations au microscope binoculaire ont été réalisées sur des plaques provenant de carottes de 100 mm de diamètre prélevées dans les supports préparés, sur une profondeur d’environ 150 mm, et sciées en deux. La figure 3.1 présente le microscope binoculaire utilisé et une plaque analysée.

Une carotte a été prélevée sur chacune des surfaces préparées à l’exception des surfaces préparées avec les marteaux pneumatiques. Pour ces dernières, deux carottes ont été extraites dont une comprenait généralement un creux correspondant à l’endroit où la pointe de l’appareil a frappé le béton. Ainsi, 4 plaques ont été observées pour les surfaces préparées aux marteaux pneumatiques, alors que 2 plaques ont été analysées pour les autres surfaces préparées. Une fois sciée, les plaques ont été polies. En moyenne, l’analyse des plaques s’est limitée aux 20 premiers millimètres à partir du point le plus élevé de la surface préparée (voir figure 3.1), l’observation d’une surface MP21S n’ayant montré aucune fissure au-delà de cette limite. Les fissures ont été reproduites sur une photocopie à 150% de la surface des plaques. Ensuite, des feuilles de plastique transparent ont été utilisées afin de reproduire les fissures et de pouvoir caractériser celles-ci (longueur, largeur, profondeur maximale et nombre). La largeur des fissures a été établie à l’aide d’une règle sur laquelle sont reproduits des traits d’épaisseur variant de 0,05 µm à 0,35 µm. La profondeur maximale a été mesurée à partir du point le plus élevé de la surface préparée jusqu’à la fissure la plus profonde, parallèlement aux rebords de la plaque.

Des essais d’absorption capillaire ont été réalisés afin de vérifier si la porosité de surface varie selon le type de préparation de surface et s’il est possible ainsi de détecter la présence éventuelle d’un endommagement. La succion capillaire est le phénomène de transport qui caractérise les mouvements d’eau à l’interface sur un substrat sec [Courard, 1999]. Selon Courard [1999], le système poreux d’un béton est composé de pores et de capillaires qui peuvent être classés par leur dimension comme suit:

• les macropores (défauts de compactage) : diamètre > 20 μm;

• les gros capillaires : 10 μm < diamètre ≤ 20 μm;

• les capillaires fins : 0,1 μm < diamètre ≤ 10 μm;

• les micropores : 0,01 μm < diamètre ≤ 0,1 μm;

• les pores de gel : diamètre ≤ 0,01 μm.

Il existe également les pores de la zone de transition entre les granulats et la pâte de ciment hydratée qui peuvent présenter des dimensions variables. L’essai d’absorption capillaire permet d’évaluer la quantité d’eau absorbée par une surface sous l’effet de la remontée capillaire, qui met en jeu les deux types de pores capillaires.

Les essais ont été effectués sur des carottes de 50 mm de diamètre prélevées sur chacun des supports préparés (2 ou 3 carottes/support). Afin d’éliminer l’eau libre, les carottes ont été mises au four à 60oC pendant 48 heures. Toutes les surfaces, exceptée la surface préparée, ont été scellées avec un époxy afin de limiter la pénétration de l’eau à la surface préparée. Par la suite, les carottes ont été entreposées dans une salle à température et humidité contrôlées, respectivement de 23oC et 50% H.R. Avant de réaliser les essais, les carottes ont été à nouveau mises au four à 60oC jusqu’à ce que la masse de celles-ci soit constante, assurant un état hydrique semblable pour chacune d’elles. L’appareil utilisé pour réaliser ces essais est présenté à la figure 3.2.

La principale caractéristique du montage est qu’il est doté d’une cellule de charge de 20 N qui permet de mesurer en continu le poids d’eau absorbée au 0,01 g près. Le niveau du réservoir d’eau est maintenu constant par l’approvisionnement continu et régulé d’eau. Le réservoir est supporté par un plateau qui permet le déplacement vertical de celui-ci et des pinces permettent de supporter les échantillons pendant l’essai. Le débitmètre assure un débit de 600 cm3/min, valeur largement supérieure au taux d’absorption de matériaux poreux comme le béton [Küntz et coll., 2003].

L’essai débute dès le contact entre l’eau et l’échantillon. Cependant, l’acquisition de la masse d’eau absorbée par ce dernier commence lorsque le plan d’eau intercepte 100% de la surface géométrique ( SG ) de la carotte. La hauteur d’immersion de celle-ci varie donc selon la plus grande profondeur de creux créée par la préparation de surface. L’intervalle entre les mesures a été fixé à 1 seconde et les expérimentations ont été conduites pendant au moins deux heures.

L’essai de cohésion en traction a été utilisé afin d’évaluer la résistance mécanique des surfaces préparées. Il fonctionne sur le même principe qu’un essai pull-off (voir section 2.3.1). Une force d’arrachement en traction est transmise à une surface circulaire délimitée par un carottage d’une certaine profondeur via une pastille d’acier collée à cette surface. L’adhésif époxy utilisé pour coller les pastilles d’acier nécessite une période d’attente de 24 heures avant de réaliser un essai à 23oC. Dans le cadre de ce projet, certaines surfaces présentaient d’importantes irrégularités. L’adhésif époxy a donc également servi à combler ces irrégularités. Afin de confiner l’adhésif époxy, des tubes en carton ont été mis en place dans l’incision du carottage, comme il est possible de le visualiser sur la figure 3.3.

À partir des essais réalisés par Courard et Bissonnette [2004], les carottages ont été effectués de sorte qu’une profondeur de 30 mm soit atteinte par rapport au point le plus bas de la surface délimitée par le carottage. Le chargement en traction des surfaces à évaluer a été réalisé à l’aide de l’appareil portatif présenté sur la figure 3.4.

Des pastilles d’acier de 75 mm de diamètre ont été utilisées afin de transmettre la force de traction à la zone de béton à évaluer. La procédure suivie pour réaliser les essais est la suivante :

  1. Carottage du béton à la profondeur désirée à l’aide d’une carotteuse à l’eau;

  2. Nettoyage de l’incision ainsi réalisée au jet d’eau;

  3. Enlèvement de l’excédent d’eau avec un jet d’air comprimé et séchage à l’air libre pendant une période d’attente minimale de 24 heures avant le collage des pastilles;

  4. Nettoyage à l’acétone de la surface de la pastille où l’adhésif époxy sera appliqué;

  5. Collage de la pastille d’acier à l’aide de l’adhésif époxy en prenant bien soin qu’elle soit parallèle au plan du carottage;

  6. Mise sous tension de la surface de béton à tester via la pastille métallique une fois la polymérisation de l’époxy complétée.

La norme canadienne CSA A23.2-6B [2001] impose un taux de chargement de 100 N/s, soit 0,02 MPa/s, pour un échantillon de 75 mm de diamètre, alors que cette valeur est de 0,05 ± 0,01 MPa/s dans le cas de la norme européenne prEN 1542 [1994]. Un taux de chargement de 0,05 MPa a été adopté puisqu’il était plus facile de conserver celui-ci, le taux de chargement étant régulé manuellement avec l’appareil portatif utilisé. Les espacements entre chaque carottage et ceux entre un carottage et le rebord de l’élément à caractériser ont été déterminés selon la norme britannique BS 1881 : Part 207 [1992].

Cette section présente les résultats des observations au microscope binoculaire, des essais d’absorption capillaire et des essais de cohésion en traction qui ont permis d’étudier l’influence de la méthode de préparation de surface sur l’intégrité de la surface préparée (substrat du système de réparation).

Des essais d’absorption capillaire ont été réalisés afin de vérifier, d’une part, si la porosité de surface est influencée par la méthode de préparation de surface, et, d’autre part, s’il est possible de détecter la présence d’un endommagement. Les figures 3.5 à 3.12 permettent de visualiser les résultats des essais d’absorption capillaire pour les divers échantillons testés, après 90 secondes et 3600 secondes du début de l’essai. Le délai d’acquisition observé entre les échantillons s’explique par le temps nécessaire pour mettre toute la surface préparée (SS) en contact avec l’eau, une rugosité plus élevée demandant plus de temps. La quantité d’eau absorbée par les échantillons a été considérée comme étant la masse d’eau absorbée, divisée par la surface spécifique. Cette surface spécifique a été évaluée en multipliant par le facteur Iss la surface géométrique (SG), Iss étant obtenu avec RugoID3 (voir section 5.2.1.3).

Des essais supplémentaires ont permis de constater que les sauts présents dans les enregistrements ne sont pas des erreurs d’acquisition. En effet, des essais d’absorption capillaire ont été réalisés une seconde fois sur les échantillons qui ont présenté des sauts, et des résultats similaires aux premiers essais ont été observés. Les essais d’absorption capillaire démontrent donc une bonne reproductibilité. Toutefois, pour la même surface préparée, les échantillons présentent parfois des différences importantes, comme c’est le cas pour les échantillons de la surface POL.

Les résultats des essais de cohésion en traction démontrent que selon la méthode de préparation adoptée, la cohésion peut varier considérablement. La figure 3.13 permet de visualiser graphiquement les résultas des essais de cohésion en traction pour les deux séries d’essais.

Les surfaces préparées qui ont démontré les meilleures cohésions sont les surfaces NAT et POL de la série 1, ainsi que les surfaces SAB, SCA et HYD pour les deux séries d’essais. Non seulement les cohésions mesurées sont les plus élevées, mais les valeurs obtenues sont également peu variables. Les cohésions des surfaces hydrodémolies et la surface SCA de la série 2 sont toutefois un peu plus faibles. Pour leur part, les surfaces préparées avec les marteaux pneumatiques ont présenté une diminution significative de la cohésion. Par exemple, une cohésion de 2,40 MPa a été obtenue pour la surface MP7S comparativement à 3,28 MPa pour la surface NAT, ce qui représente une réduction de 26,9%. De plus, les deux séries d’essais indiquent que la diminution de la cohésion est approximativement proportionnelle au poids du marteau pneumatique. Les valeurs mesurées sont également beaucoup plus variables avec les marteaux pneumatiques.

Afin de vérifier si les différences de cohésion sont attribuables à l’endommagement du béton, une comparaison des observations au microscope binoculaire avec les essais de cohésion en traction de la série 1 a été effectuée. La figure 3.14 présente graphiquement les résultats de cohésion pour chacune des méthodes de préparation selon le nombre de fissures et leur longueur totale par plaque analysée.

Dans un premier temps, les résultats indiquent que les surfaces POL, SAB et SCA permettent de réduire l’endommagement apparent causé par le retrait de séchage, le nombre de fissures observables sur une surface de type NAT étant plus élevé. Toutefois, puisque les fissures causées par le retrait de séchage se manifestent de manière verticale et que celles observées sont de faibles longueurs, leur présence ne devrait pas, en principe, affecter de façon significative la cohésion mesurée. Ainsi, il n’est donc pas surprenant d’observer des cohésions similaires pour les surfaces NAT, POL, SAB et SCA. Les ruptures sont également survenues au fond du carottage dans pratiquement tous les cas pour ces surfaces. Pour la surface HYD, la légère diminution de la cohésion comparativement à la surface NAT peut être attribuable à une plus faible résistance du béton. En effet, tout comme les surfaces SAB et SCA, des ruptures de fond ont principalement caractérisé la surface HYD et, comme le montre le tableau 3.3, la cohésion évaluée pour les surfaces SAB et SCA se rapproche de la résistance en traction par fendage du béton. De ces faits, la valeur moyenne des cohésions mesurées pour les préparations NAT, POL, SAB, SCA et HYD a été nommée « cohésion du matériau ».

Dans un second temps, un endommagement important a été observé pour les surfaces préparées avec les marteaux pneumatiques comparativement aux autres surfaces, la longueur moyenne des fissures étant nettement plus grande. Une seule rupture sur les quinze essais s’est produite au fond du carottage, alors que les autres ruptures ont eu lieu près de la surface. La cohésion de la surface préparée représente donc une « cohésion superficielle ». La figure 3.14 révèle également que l’endommagement est plus important lorsque le poids du marteau pneumatique augmente, l’augmentation du poids de l’appareil entraînant une plus grande énergie d’impact. Il n’y a donc aucun doute que la diminution de la cohésion est attribuable à la présence de fissures en surface.

Les observations au microscope binoculaire ont également permis de constater que l’endommagement du béton avec les marteaux pneumatiques s’étend jusqu’à une profondeur de 23 mm pour le MP7S, 25 mm pour le MP14S et 24 mm pour le MP21S. Ces profondeurs de l’endommagement avec les marteaux pneumatiques sont beaucoup plus grandes que celle mentionnée par Hindo [1990], soit 9 mm. Il semble donc préférable de limiter le poids du marteau pneumatique lors de la préparation d’une surface sur chantier. D’ailleurs, afin de préserver l’intégrité des éléments, le ministère des Transports (MTQ) limite le poids du marteau pneumatique en fonction du type d’élément à réparer. Par exemple, le poids maximal permis pour des éléments minces et élancés est de 15 kg [Drapeau et Bélanger, 1995].

Les résultats présentés dans cette section indiquent que l’essai de cohésion en traction permet non seulement de distinguer une surface endommagée d’une surface intacte, mais également le niveau d’endommagement de la surface préparée. L’essai de cohésion en traction s’avère donc être une méthode quantitative qui permet d’évaluer convenablement l’intégrité d’une surface préparée.

Les résultats d’absorption capillaire démontrent qu’il existe de légères différences entre les méthodes de préparation de surface. Pour l’ensemble des essais, les courbes d’absorption semblent afficher deux régimes. Le premier régime est caractérisé par une absorption initiale rapide dont le taux d’absorption diminue jusqu’à environ 1200 secondes. Par la suite, le taux d’absorption se stabilise et l’absorption augmente de manière constante. Cette seconde partie des courbes d’absorption caractérise le second régime. Les figures 3.5 à 3.12 permettent d’observer que les principales différences entre les surfaces préparées se situent pendant la première phase. L’attention sera donc portée sur les mesures prises pendant cette période. Le tableau 3.4 présente les quantités d’eau absorbée après 90 et 1200 secondes.

Le tableau 3.4 permet de constater que les échantillons des surfaces POL, SAB, HYD et MP21S présentent des absorptions semblables à la suite des 90 premières secondes de l’essai, légèrement supérieures à celle des échantillons de la surface NAT. Pour leur part, les spécimens de la surface SCA ont démontré la plus faible absorption. Dans le cas de la surface MP7S, la quantité d’eau absorbée par les échantillons est la plus élevée. Pour ce qui est des spécimens de la surface MP14S, ils ont enregistré la deuxième plus faible quantité d’eau absorbée.

Après 1200 secondes d’essai, les surfaces POL et SAB présentent toujours des absorptions similaires, respectivement de 0,0384 et 0,0380 g/cm2. Alors que les surfaces MP14S montraient une absorption plus faible que les deux surfaces POL et SAB pendant les 90 premières secondes, la quantité d’eau absorbée est sensiblement la même après 1200 secondes, soit 0,0383 g/cm2. Les surfaces SCA sont demeurées les surfaces avec l’absorption capillaire la plus faible. De plus, les surfaces HYD, MP7S et MP21S ont absorbé davantage d’eau que les échantillons de la surface NAT, la surface HYD étant celle qui a démontré la plus grande augmentation.

Il est difficile de mentionner si les différences mesurées entre les surfaces préparées sont significatives puisque très peu d’essais de ce type ont été réalisés. Seul Courard [1999] a réalisé des essais similaires avec des surfaces polies et sablées. Après 60 secondes, la masse d’eau absorbée lors des essais de Courard était d’environ 0,56 g pour une surface polie et de 0,17 g pour une surface sablée. La surface polie avait donc absorbé 2,29 fois plus d’eau que la surface sablée. Pour le présent projet, les faibles différences observées après 90 secondes pour les surfaces POL, SAB, HYD, MP14S et MP21S comparativement aux surfaces NAT paraissent donc peu importantes.

Pour les échantillons des surfaces SCA et MP7S, la quantité d’eau absorbée après 90 secondes diffère de celle qui caractérise les spécimens des surfaces NAT. Dans le cas de la surface SCA, l’eau absorbée est moins importante que celle de la surface NAT, alors que le contraire a été observé pour la surface MP7S. Différentes hypothèses peuvent apporter une explication à ces résultats. Pour la surface SCA, une exposition plus importante des granulats, qui sont moins poreux que la pâte de ciment, une porosité de surface moins importante ou une réduction de l’ouverture des pores pourraient expliquer la diminution de l’eau absorbée comparativement à la surface NAT. Pour la surface MP7S, l’augmentation de l’absorption capillaire pourrait s’expliquer par les phénomènes inverses supposés précédemment. Il est également possible que la poudre de ciment générée au cours de la scarification ait eu pour effet d’obturer partiellement la porosité superficielle. Toutefois, le manque d’information ne permet pas d’affirmer que les différences observées pour les surfaces SCA et MP7S, comparativement à la surface NAT, sont réellement induites par la méthode de préparation.

Les essais d’absorption capillaire ont également démontré parfois des sauts dans les enregistrements. Par exemple, l’absorption d’eau pour l’échantillon HYD1 à environ 94 secondes d’acquisition est caractérisée par une augmentation rapide d’environ 0,05 g/cm2, sur une période approximative de 4 secondes, tel que présenté sur la figure 3.15.

Deux éléments peuvent apporter une explication concrète à ces observations : la présence d’un pore de forte dimension ou d’une fissure. D’après la définition du système poreux de Courard [1999], les pores qui peuvent expliquer ces hausses rapides d’absorption sont les gros pores capillaires, dont le diamètre varie entre 10 µm et 20 µm, ou des macropores, dont le diamètre est supérieur à 20 µm. Les échantillons ayant été prélevés sur des bétons présentant les mêmes compositions, ces sauts seraient davantage associés à la présence d’un macropore ou d’une fissure près de la surface. Dans la majorité des cas, la hausse de l’absorption se produit sur une courte période de temps. Le défaut se doit donc d’être de faible hauteur. S’il s’agit d’une fissure, elle doit être orientée le plus possible perpendiculairement à la montée de l’eau. Les observations au microscope binoculaire, présentées dans l’Annexe C, permettent de constater que plusieurs fissures sont parallèles à la surface préparée, donc perpendiculaires à la montée de l’eau. De plus, l’ouverture des fissures est comprise dans bien des cas entre 50 µm et 100 µm, allant même jusqu’à 600 µm dans le cas de surfaces MP21S. Les montées brusques d’absorption d’eau étant observables seulement pour les surfaces HYD et celles avec les marteaux pneumatiques, il semble raisonnable de penser qu’elles sont causées par la présence de fissures plutôt que de macropores.

L’essai de cohésion en traction a démontré des résistances beaucoup plus faibles pour les surfaces préparées avec les marteaux pneumatiques. Les observations au microscope binoculaire ont permis d’observer qu’un endommagement important de ces surfaces est responsable de leur faible cohésion, comparativement aux surfaces SAB, SCA et HYD. Les essais d’absorption capillaire vont également dans le même sens puisque des sauts ont été observés dans les acquisitions pour les surfaces MP7S, MP14S, MP21S. Les essais d’absorption capillaire ont également permis de démontrer qu’il n’existe pas de différence significative de la porosité de surface des surfaces préparées. En effet, mis à part les échantillons SCA et MP7S, qui présentent des comportements quelque peu différents de ceux de la préparation NAT, les courbes d’absorption capillaire et les quantités d’eau absorbée sont sensiblement les mêmes.

Les observations au microscope binoculaire et les essais d’absorption capillaire ont permis d’apporter une explication aux résistances évaluées des surfaces préparées et de démontrer que l’essai de cohésion en traction est une méthode de caractérisation quantitative fiable et reproductible qui permet d’évaluer convenablement l’intégrité des surfaces préparées.

© Normand Bélair Jr, 2005