Dans de nombreux bâtiments en béton, la structure en acier rouille. Il existe un risque de dommages coûteux ou d’effondrement. Les capteurs doivent détecter le danger

Le béton maintient littéralement le monde moderne ensemble : les ponts traversent les rivières et les vallées, les murs de soutènement et les tunnels maintiennent la terre et les débris à distance. Depuis des décennies. Mais avec certains bâtiments, on se demande combien de temps ils continueront à faire leur travail. Si des fissures sont visibles, si le matériau s'écaille ou même si de l'eau rouillée s'échappe : le matériau tiendra-t-il encore ?

La durée de vie dépend en grande partie de l'état du squelette en acier, appelé armature à l'intérieur des structures en béton. Ce squelette peut supporter des forces de traction bien plus importantes que le béton seul. Cela permet de construire des ponts de grandes portées.

Si l’acier est enfermé dans du béton, cela le protège de l’eau et des influences environnementales qui le font rouiller. D’autre part, le revêtement empêche la détection précoce d’une éventuelle corrosion. Si elle apparaît en surface, la décomposition à l’intérieur est généralement déjà bien avancée et une remédiation importante est nécessaire. S'il ne s'effondre pas comme les ponts de Gênes ou de Dresde. La Suisse n’est pas épargnée par ce problème : ici aussi, l’état de nombreux bâtiments s’est dégradé.

Il serait insensé et inabordable de démolir tous les bâtiments anciens sur la base de soupçons afin de vérifier l’acier. Au lieu de cela, les scientifiques travaillent sur des méthodes permettant de déterminer l’état sans destruction. Les drones, les capteurs et l’intelligence artificielle promettent de grands progrès dans ce domaine.

La manière dont les experts procèdent peut être observée, par exemple, à l'Institut fédéral de recherche et d'essai des matériaux de Berlin. Gino Ebell, expert en corrosion du béton et de l'acier de précontrainte, se précipite dans le laboratoire, sa blouse blanche flottant au vent. Cela rappelle une série médicale télévisée, et il y a en fait une chose en commun. De la même manière que les médecins examinent les os et les tissus à l’aide d’ultrasons ou de rayons X, l’équipe d’Ebell analyse des échantillons de béton à l’aide d’électrodes. De cette manière, on détermine ce qu'on appelle le potentiel électrochimique. Il s’agit d’une mesure qui indique où le matériau a déjà été endommagé par la corrosion.

Ebell utilise la sonde manuelle pour se déplacer sur une fine fissure dans le béton. L'affichage sur l'appareil de mesure change rapidement. Ebell retourne l'échantillon. Au dos, vous pouvez voir un morceau d'acier de renforcement rouillé qui a provoqué la lecture sur l'écran.

« De telles mesures peuvent également être prises directement sur les bâtiments », explique Ebell. En cas de suspicion d'acier corrodé, un échantillon est prélevé et examiné soigneusement dans quelle mesure le béton environnant protège encore contre la corrosion. L'acier est également examiné en détail, par exemple pour déterminer quelle partie de sa section transversale est déjà rouillée.

Les résultats déterminent, par exemple, si un pont peut encore être utilisé ou doit être fermé. Selon l’étendue des dommages, la réparation peut ne pas être possible. « Parfois, il suffit de remplacer le béton dans cette zone ou d’appliquer un revêtement qui empêche la pénétration supplémentaire de l’eau et du sel de déglaçage », explique Ebell.

Cependant, la mesure du potentiel électrochimique ne fonctionne pas partout. Dans certaines structures en béton, des fils dits de tension sont situés dans une gaine métallique. Il forme une cage de Faraday qui rend les fils invisibles pour le processus de mesure. C’est un problème particulièrement en Allemagne. Entre les années 1950 et 1970, et à l'est jusqu'au début des années 1990, de nombreux ponts ont été construits en utilisant un type spécial d'acier précontraint.

La forte pollution de l'air, en particulier le dioxyde de soufre, combiné à l'humidité, a attaqué l'acier utilisé à l'époque avant qu'il ne soit enfermé dans du mortier, explique Ebell. Cachées, de fines fissures se sont formées sur les fils. Des décennies plus tard, ils sont désormais en train de percer. Si trop de fils de tension sont cassés, les fils restants ne peuvent plus résister aux forces de traction.

Le pont Carola à Dresde, par exemple, s'est partiellement effondré en 2024 . Dans des structures similaires, le pire a été évité grâce aux fermetures. Les conséquences sur la circulation sont dramatiques : embouteillages et déviations importantes. Cela montre le dilemme qui se pose lorsque l’on décide de fermer ou de continuer à fonctionner : tout le monde veut de la sécurité, mais aussi une infrastructure utilisable.

« Il y a de nombreux ponts qui peuvent être endommagés », explique Ebell. « Tous ne peuvent pas être remplacés par un nouveau bâtiment en peu de temps. » Souvent, il ne reste plus grand-chose d’autre que des « soins palliatifs », comme les appelle l’ingénieur. Les structures seront équipées de capteurs mesurant les vibrations. Vous pouvez « entendre » si et où les fils de tension se cassent.

Il existe également des capteurs qui détectent même les plus petites déformations. « Sur la base des données, il est possible de déterminer rapidement si l’état reste stable ou s’il se détériore et une fermeture complète peut être nécessaire », dit-il.

En Suisse aussi, de nombreux ponts et murs de soutènement montrent des signes de vieillissement. Ueli Angst, professeur de durabilité des matériaux à l’ETH Zurich, connaît très bien le problème. « Rien que dans le domaine des infrastructures routières, la prévention et la réparation des structures corrodées coûtent plus d’un demi-milliard de francs par an », explique-t-il. Son approche consiste à détecter les dommages plus tôt et, idéalement, à faire une prévision de la durée pendant laquelle un bâtiment sera encore utilisable.

La procédure standard consiste en des inspections visuelles, généralement effectuées chaque année, explique le chercheur. Mais ils présentent des inconvénients. Premièrement, l’inspecteur ne voit des signes de corrosion qu’à l’extérieur alors qu’elle est bien avancée à l’intérieur. Et deuxièmement, les tests nécessitent beaucoup de personnel. Les voies fermées et les équipements spéciaux tels qu’une plateforme de travail qui peut également être utilisée pour inspecter le dessous d’un pont augmentent encore les coûts.

Une équipe dirigée par Ueli Angst a développé un système de capteurs de mesure non destructifs qui peut être combiné avec des drones. Il permet d'inspecter les bâtiments avec peu d'effort et sans grandes barrières. Par exemple, un drone vole vers un pilier de pont et utilise un capteur pour déterminer le potentiel électrochimique à des points spécifiés dans une grille. Cela permet de détecter la corrosion à un stade précoce, explique le chercheur. Cela réduit le coût de la rénovation.

L’inspection par drones est actuellement en cours d’optimisation. D’autres méthodes ont déjà été mises sur le marché. Il s'agit notamment de capteurs de la société dérivée de l'ETH Duramon. Ceux-ci sont installés à différentes profondeurs dans le béton et mesurent régulièrement la température, l'humidité, l'acidité et la teneur en sel. Sur la base des données, les experts peuvent voir si l'acier d'armature est déjà attaqué ou s'il est encore entouré de béton suffisamment intact.

Selon Ueli Angst, la recherche fondamentale est payante. « Nous pouvons maintenant estimer combien de temps il reste avant que le risque de corrosion sur la structure augmente et que des rénovations majeures soient nécessaires », dit-il. Cela aide par exemple les autorités routières à hiérarchiser leurs mesures de construction et à utiliser efficacement les ressources financières. Les capteurs pourraient être utilisés dans les bâtiments neufs et existants.

Dans sa vision du futur, les différentes données de mesure des sondes et des drones installés seront reliées entre elles et utilisées pour créer un jumeau numérique du bâtiment concerné. « À l'aide de lunettes VR, les ingénieurs se déplacent dans la structure virtuelle ; ils peuvent, par exemple, voir comment les valeurs mesurées évoluent au fil du temps et utiliser cela pour identifier les zones à risque », explique-t-il. Les méthodes d’intelligence artificielle promettent également de pouvoir évaluer efficacement de grandes quantités de données.

Théoriquement, les ingénieurs civils ont également une option complètement différente s'ils ne veulent pas faire face à la corrosion : ils peuvent utiliser des renforts en acier inoxydable. Cependant, l’acier inoxydable est beaucoup trop cher pour cela. Une alternative possible est la fibre de carbone.

On peut déjà voir à quoi cela ressemble dans la pratique dans une salle d'essai de l'Université technique de Berlin. Là, une équipe dirigée par Mike Schlaich a construit un modèle de pont routier. Il fait la moitié de la taille qu'il aura lorsqu'il sera placé à l'extérieur. Le béton est visible de l'extérieur, mais des faisceaux noirs de fibres de carbone sont tendus à l'intérieur. Selon Schlaich, le prix de telles structures est compétitif, notamment par rapport au béton précontraint conventionnel.

« Nous avons simulé deux millions de cycles de charge avec des poids de plusieurs tonnes et mesuré l'ampleur de la déformation et si le comportement vibratoire changeait », explique-t-il. Si cela ne tenait qu’à lui, de tels ponts pourraient être construits demain. Mais les constructeurs hésitaient car il n’existait pas de normes pour ce nouveau type. Dans chaque cas, un consentement est alors nécessaire, ce qui prend du temps. Beaucoup étaient réticents à faire cet effort.

Il est actuellement difficile de prédire où et surtout quand les fibres noires remplaceront les squelettes d’acier potentiellement rouillés. La corrosion restera donc un problème dans le secteur de la construction pendant encore longtemps.

Un article de la « NZZ am Sonntag »