Attaques chimiques du béton

Réponse du département Sciences et Techniques
Bonjour,

Les principales sources d'altération du béton

Les altérations du béton sont variées. Elles atteignent soit la matrice cimentaire soit les armatures, parfois les deux. Leurs origines sont très nombreuses : chaque étape depuis la formulation, jusqu'à la mise en oeuvre, mais aussi l'agressivité de l'environnement peuvent être source de dégradation. Le positionnement des armatures, par exemple, est essentiel : en effet, si elles affleurent ou si elles sont placées trop près de la surface, leur oxydation sera favorisée, ce qui induira une dégradation du béton. En effet, une armature oxydée peut occuper jusqu'à 9 fois plus de volume que le métal initial.
De même, le béton est un produit moulé, aussi, toute imperfection du coffrage (étanchéité, aspérités traces de rouille...) laissera son empreinte dans le béton.

La liste des sources possibles de dégradations liées à la formulation ou à la mise en oeuvre est longue. D'autant plus qu'aujourd'hui, des adjuvants et ajouts (fumées de silice, cendres volantes, fillers calcaires ou siliceux...) sont mélangés au béton. Des produits de démoulage sont également utilisés sur les coffrages, ce qui fait autant de paramètres supplémentaires pouvant occasionner des altérations ou des défauts d'aspect, en cas d'utilisation inadaptée.

Cependant, un béton correctement formulé et mis en oeuvre peut s'altérer après quelques années ou quelques dizaines d'années. Dans ce cas les altérations sont soit liées à des problèmes de structure, soit à un vieillissement du béton ou encore à une agression de l'environnement. Indépendamment des problèmes de structure, on parle communément de 5 grands mécanismes de dégradation :
- la carbonatation
- l'attaque par les chlorures
- l'attaque sulfatique
- les cycles de gel-dégel
- l'alcali-réaction

La carbonatation

La carbonatation est un phénomène de vieillissement naturel qui concerne tous les bétons. Elle correspond à une transformation progressive d'essentiellement un des composés du béton durci, la portlandite, en calcite au contact du dioxyde de carbone contenu dans l'air et en présence d'humidité. Cette transformation s'accompagne d'une diminution du pH (le béton sain a un pH d'environ 13, ce qui constitue un milieu protecteur pour les armatures en acier et permet la formation d'une couche d'oxydes passifs. Le pH d'un béton carbonaté est d'environ 9. A ces valeurs de pH, le film passif est détruit et la corrosion peut se développer).
Une des conséquences principales de la carbonatation est de favoriser la corrosion des armatures, lorsque le front de carbonatation les atteint. Elle se traduit la plupart du temps par l'apparition d'épaufrures laissant apparaître des armatures oxydées.

L'attaque des chlorures

Les chlorures peuvent apparaître dans le béton soit par ses constituants (granulats de mer non lavés, béton gâché à l'eau de mer, adjuvants contenant des chlorures...), soit par l'environnement (proximité de la mer, sels de déverglaçage...).
Lorsque ces chlorures atteignent en quantité suffisante les armatures (seuil limite en chlorures totaux : 0.65% du poids de ciment selon la norme P18-011), ils conduisent à leur dépassivation et à une plus grande sensibilité à la corrosion. Dans le cas où le béton est déjà carbonaté et que la corrosion est amorcée, les chlorures jouent un rôle de catalyseur.

L'attaque sulfatique

L'attaque sulfatique, comme l'attaque par les chlorures ne se produit que lors d'un apport suffisant en sulfates. Ces sulfates, sous forme liquide ou gazeuse, proviennent souvent de pollutions industrielles ou urbaines. Ils peuvent réagir avec certains composés du béton (notamment les aluminates), pour produire de l'ettringite secondaire, également appelée sel de Candlot ou trisulfoaluminate de calcium. Lorsqu'ils sont produits en quantité importante, ces sels à caractère expansif conduisent à un gonflement du béton et à sa fissuration. Les fissures produites sont généralement assez fines et surtout sont organisées en un réseau de mailles, on parle de faïençage.

Les cycles de gel-dégel et gélivité

Tous les bétons ne sont pas sensibles aux cycles de gel-dégel. Seuls les bétons dits "gélifs" s'altèrent. Les dégradations se manifestent sous forme de fissurations internes ou d'écaillage et concernent essentiellement les structures horizontales (ponts, terrasses...), susceptibles d'être saturées en eau et donc plus sensibles à l'action du gel. Ce phénomène est encore mal connu.
La gélivité d'un béton peut être occasionnée par une sensibilité au gel à la fois des granulats et de la pâte de ciment, les deux phénomènes se s'additionnant pas.

La porosité de la pâte de ciment, peut d'une façon très simplifiée être assimilée à une association de bulles et de tubes (capillaires), les bulles étant reliées entre elles par des capillaires (quand la porosité est connectée). Lorsque l'eau peut se déplacer au travers des capillaires jusqu'à une bulle encore "libre", la glace peut se former sans conséquence nuisible. Si au contraire elle se forme dans les capillaires, elle peut générer de telles contraintes qu'une fissuration peut se développer.
En effet, la transformation de l'eau en glace s'accompagne d'une augmentation de volume d'environ 9%. Cependant cette expansion de volume n'est pas la seule origine des fissures. Elle induit également des mouvements d'eau au sein de la porosité. Les pressions occasionnées par ces mouvements d'eau, lorsqu'elles dépassent la résistance en traction du béton, peuvent provoquer l'apparition de fissures. L'expérience montre qu'un réseau de bulles d'air de diamètre et d'espacement (on parle de Lbarre) adaptés à l'ouvrage et aux conditions climatiques auxquelles il est soumis (assuré par l'ajout d'une catégorie d'adjuvants, les "entraîneurs d'air") permet d'améliorer la résistance au gel du béton.

En ce qui concerne les granulats, ce sont essentiellement leur taille, leur porosité et leur perméabilité qui jouent un rôle sur leur gélivité. Les granulats les plus sensibles au gel semblent être les agrégats de grandes dimensions (les sables sont généralement beaucoup moins gélifs que les graviers) et présentant une forte porosité, essentiellement formée de pores très fins.

L'alcali-réaction

Sous ce terme se regroupent toutes les réactions qui peuvent se produire entre les granulats du béton et les alcalins de la pâte de ciment. "Trois conditions doivent être simultanément remplies pour que ces réactions puissent avoir lieu. Il faut que le granulat soit potentiellement réactif, que l'humidité relative excède 80 à 85% et que la concentration en alcalins dépasse un seuil critique." (M.A.Bérubé & A. Cales-Gibergues).
Il existe trois grands types d'alcali-réactions : les réactions alcali-carbonate, alcali-silice et alcali-silicate. La réaction la plus fréquente est la réaction alcali-silice.
Les désordres occasionnés par l'alcali-réaction se présentent sous forme de faïençage ou d'éclatement du béton. Ces réactions n'apparaissent en général qu'après plusieurs dizaines d'années. Cependant si les trois conditions précédemment citées sont remplies, avec notamment une forte réactivité des granulats et une forte teneur en alcalins, une alcali-réaction peut se développer en quelques années.

(Extrait de Les principales sources d'altération du béton par le LRMH, le Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques.)

Pour aller plus loin, des documents à consulter :

- Construire en béton : l'essentiel sur les matériaux, sous la direction de François de Larrard.

- Propriétés des bétons, par Adam M. Neville.

- La durabilité des bétons, aux éditions CIMbéton.

- Granulats, sols, ciments et bétons, caractérisation des matériaux de génie civil par les essais de laboratoire, par R. Dupain et J.C. Saint-Arroman.