Carbonatation des ouvrages en béton armé

Carbonatation des ouvrages en béton armé

NOTION DE DURABILITE DES BETONS

La durabilité d’un ouvrage se caractérise par sa capacité à conserver, dans les conditions prévues, les fonctions d’usage pour lesquelles il a été conçu et à maintenir son niveau de fiabilité et son aspect, dans son environnement, avec des frais de maintenance et d’entretien aussi réduits que possible. La durabilité d’un ouvrage est étroitement liée à la durabilité du matériau avec lequel il est réalisé. En ce qui concerne les bétons, celle-ci s’explique par la résistance à la pénétration d’agents extérieurs. Une mauvaise durabilité se manifeste par une détérioration qui peut résulter de facteurs externes ou de phénomènes internes au béton. Les écoulements de fluide, transportant des agents agressifs sont donc préjudiciables à une bonne durabilité. Ainsi, l’attaque chimique par les sulfates, la corrosion des armatures dues à l’attaque par les chlorures ou la pénétration du gaz carbonique et la résistance au gel et au feu sont directement liées à la perméabilité du béton employé. Les différentes actions peuvent être physiques, chimiques ou mécaniques :Les dommages d’origine mécanique sont causés par les chocs, l’abrasion ou la cavitation.Les causes de dégradation chimique comprennent les réactions alcali-silice et alcalicarbonate. Les attaques chimiques externes sont principalement causées par laprésence d’ions agressifs tels que le gaz carbonique, les sulfates et les chlorures (provenant de l’eau
de mer, des embruns marins ou des sels de déverglaçage).Les causes physiques de détérioration comprennent les effets d’une température élevée ou des différences de dilatation thermique des granulats et de la pâte de ciment durcie, les cycles répétés de gel-dégel. Le béton et le béton armé, dont la durabilité est de l’ordre d’un siècle, n’échappent pas à cette règle. En effet, le béton joue deux rôles dans une structure en béton armé : d’une part, il doit résister mécaniquement, sans souffrir de déformations excessives, et d’autre part il doit assurer une protection chimique des armatures par le biais de sa solution interstitielle. Cependant, des agents agressifs peuvent franchir cette barrière qu’est la solution interstitielle, qui ne jouera plus son rôle de protection des armatures, et dont la corrosion va dégrader esthétiquement et mécaniquement l’ouvrage, qui n’assurera plus sa fonction porteuse et par conséquent affecter sa durabilité. Plusieurs campagnes ont vu le jour dans le monde et ce dans le seul but de surveiller et recenser les ouvrages endommagés :  En France par exemple, les dégradations ont atteints 28% des ouvrages d’art en béton armé dues essentiellement à la corrosion des armatures et la plupart des désordres touchant les bâtiments est également liée à la corrosion des armatures [DAK., 2009]. Aux Etats Unis, 15 % des ponts autoroutiers sont considérés comme structuralement déficients devant un parc qui en compte près de 586 000. Le renouvellement de ces ponts va coûter plus de 10 milliards de dollars par an au cours des dix prochaines années et ceci uniquement pour couvrir les déficiences les plus graves. [Dak., 2009] Au Canada, environ 40 % des ponts autoroutiers ont plus de 40 ans de service. Un grand nombre d’entre eux exige un renouvellement ou un remplacement en raison des dommages causés par la corrosion. Ces travaux sont estimés à 10 milliards de dollars canadiens. Au Québec, un grand nombre sur les 4000 ponts en béton se trouve dans un état de détérioration avancé. [Dak., 2009] Au Royaume-Uni, 10 % des ponts routiers sont endommagés par la corrosion et là aussi les coûts de réparation s’élèvent à plus de 600 millions de livres sterling. [Dak., 2009] En Algérie, nous ne pourrons pas avancer de chiffres ; mais nous savons que des actions sont menées pour la réparation d’ouvrages dont la durabilité a été affectée, comme le pont de Biskra par exemple. De par ce constat, on peut dire que la corrosion reste la cause de détérioration la plus coûteuse en terme de maintenance. Elle est à l’origine de nombreux défauts apparents qui, s’ils n’engendrent pas de pertes de capacité portante immédiate de la structure, se révèlent nuisibles à l’exploitation de l’ouvrage. D’où l’importance de la durabilité d’un matériau tel que le béton de conserver ses caractéristiques et son intégrité pendant la durée de service prévue pour la structure.

GENERALITES SUR LE PHENOMENE DE CARBONATATION

La carbonatation résulte de l’action de la diffusion du CO2 contenu dans l’air dans les pores du béton et les réactions consécutives de dissolution/précipitation avec les hydrates, notamment de la portlandite Ca(OH)2 joue un rôle de tampon sur le pH. Lorsque la portlandite a été entièrement consommée, ou qu’elle n’est plus accessible, le pH chute à une valeur inférieure à 9, amorçant ainsi la dépassivation des aciers.

Schéma phénoménologique :

L’hydratation d’un matériau cimentaire conduit à la formation d’une solution interstitielle basique. Lorsque la pâte de ciment sèche après durcissement, il y a de l’air qui va pénétrer par le réseau poreux qui s’y forme. Si le matériau est saturé, le dioxyde de carbone, contenu dans l’air, diffuse sous forme dissoute. Maintenant si le matériau est partiellement saturé, le passage en solution du CO2 gazeux dans la solution interstitielle entraîne une chute importante du pH et une modification de l’assemblage minéralogique de la matrice cimentaire. La réaction de neutralisation des hydrates (bases) par le CO2 (acide) constitue la réaction de carbonatation. Afin de comprendre cette description phénoménologique, il est opportun de rappeler certaines informations correspondant au mécanisme de diffusion-réaction du CO2 dans les bétons. Nous allons, dans un premier temps revenir sur les propriétés du CO2, puis, on décrit les réactions entre les hydrates du béton et le CO2. On abordera ensuite la corrosion des aciers liée à la carbonatation.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE.
CHAPITRE 1. Etat de l’art sur la carbonatation des ouvrages en béton armé
1.1. INTRODUCTION
1.2. NOTION DE DURABILITE DES BETONS
1.3. GENERALITES SUR LE PHENOMENE DE CARBONATATION
1.3.1. Description du phénomène :
1.3.2. Schéma phénoménologique :
1.4. GENERALITES SUR LE CIMENT HYDRATE
1.4.1. Les constituants des ciments
1.4.2. L’hydratation du ciment et son mécanisme
1.4.3. Les transferts hydriques dans un matériau cimentaire
1.5. CARBONATATION
1.5.1. Carbonatation des hydrates de la pâte de ciment ou du béton
1.5.2. Carbonatation de la portlandite (CH)
1.5.3. Carbonatation des silicates de calcium hydratés
1.5.4. Carbonatation des aluminates
1.5.5. Conséquence de la carbonatation sur le béton
1.5.6. Conséquence de la carbonatation sur le béton armé
1.5.7. Facteurs influençant le degré de carbonatation
1.6. MISE EN EVIDENCE DE LA CARBONATATION
1.6.1. Vieillissement accéléré
1.6.2. Mesure de la profondeur de carbonatation
1.7. AVANCEE DE LA NORMALISATION ET MODELISATION (Démarches performantielle et
prédictive)
1.7.1. Indicateurs physico-chimiques performantiels de durabilité
1.7.2. Conditions d’exposition selon la norme européenne EN 206-1
1.7.3. Principe de l’approche performantielle.
1.8. CONCLUSIONS
CHAPITRE 2. Présentation de la campagne expérimentale : matériaux, techniques et méthodes.
2.1. INTRODUCTION
2.2. MATERIAUX ET FORMULATION
2.2.1 Matériaux
2.2.2 Formulation
2.3. PROCEDURES EXPERIMENTALES
2.3.1 Mesure de la masse volumique apparente
2.3.2 Essai de résistance à la compression
2.3.3 Mesure de la porosité accessible à l’eau
2.3.4 Essais de carbonatation accélérée
2.3.5 Carbonatation naturelle
2.4. CONCLUSION
CHAPITRE 3. Résultats expérimentaux et interprétation
3.1. VARIATION DE MASSE VOLUMIQUE ET DE POROSITE
3.2. INFLUENCE DE LA QUANTITE DES ADDITIONS
3.3. POROSITE DE LA PÂTE
3.4. RESISTANCE A LA COMPRESSION
3.5. TENEUR EN EAU ET HUMIDITE RELATIVE
3.6. PROPRIETES HYDRIQUES ET DE TRANSPORT
3.6.1. Teneur en eau et humidité relative
3.7. ESSAI DE CARBONATATION ACCELEREE
3.7.1. Profondeur carbonatée
3.7.2. Carbonatation et porosité
3.8. Carbonatation naturelle
3.8.1. Carbonatation naturelle des bétons
3.8.2. Comparaison carbonatation naturelle et accélérée
3.9. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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