Les Causes de Degradation Des Betons

8/17/2019 Les Causes de Degradation Des Betons

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Département d’Architecture -Annaba- Mr. LAKHAL RidhaMaster : Restauration des Patrimoines (Cours : Pathologie des Bétons Armés - Corrosion)

(Chapitre 02 : Les causes de dégradation des bétons) Page 1 sur 13

Chapitre II : Les causes de dégradation des bétons

-

facteurs climatiques (le soleil, la pluie, la neige, la grêle, le vent, le gel, l’air salin en bord de mer...).

Introduction:

La durabilité des ouvrages en béton armé dépend de leur comportement face aux conditions climatiques

et environnementales qui existent dans les milieux où ils sont construits. Ces ouvrages sont souvent soumis àun processus permanent des dégradations physiques et chimiques sous l’effet des agressions extérieures.

La dégradation progressive des matériaux et équipements est imputable aux :

-

facteurs atmosphériques (la pollution de l’air) ;

- facteurs chimiques (réactions chimiques).

- facteurs physique.

une augmentation de la température.

Définition de la Réaction chimique :

Une réaction chimique est un événement ou transformation au cours duquel les espèces chimiques se

transforment pour donner les produits. cette réaction est accélérée par :

une augmentation de la concentration.

la présence de certaines espèces chimiques appelées catalyseurs (les enzymes sont des catalyseurs, les

pots catalytiques contiennent des catalyseurs).

La Carbonatation.

Les causes chimiques de dégradation :

Parmi les couses de dégradation des bétons armés on cite:

La Corrosion des armatures.

L’Alcali-réaction ou cancer du béton.

Les Réactions sulfatiques.


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I-

1.

La carbonatation.

La carbonatation est un phénomène chimique lié à

l'émission de gaz carbonique dans l’atmosphère. C’est une

pathologie de béton armé qui, avec le temps, atteint descouches de plus en plus importantes. Elle dégrade les

Définition :

bétons armés et elle est notamment responsable de la mise

à nu de leurs armatures en acier.

Le dioxyde de carbone CO2 pénètre sous forme

gazeuse dans le béton. Il provoque une réaction, dite de

carbonatation, avec l’eau interstitielle. Le front de

carbonatation avance progressivement à partir du parement.

Il transforme l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 « chaux

hydratée », qui est une base, et qui confère à l’eau qui setrouve dans les pores du béton un pH élevé (entre 12,5 et

13), en carbonate (CaCO3). Ce front de carbonatation

abaisse le pH de la solution interstitielle depuis 13 jusqu’à

environ 9. Ceci dégrade la passivation des armatures.

La chaux libre (CaO) et les alcalis du ciment (Na2O et K 2O) contribuent également à rendre l’eau des

pores basique.

La carbonatation entraîne des problèmes de durabilité puis de résistance sur les structures en béton armé.

Les barres d'acier, censées garantir cette résistance, gonflent sous l'effet de la corrosion et font éclater le béton

d'enrobage, les aciers sont alors mis à nu.

2.

Lors du durcissement du béton et après l’évaporation de l’eau, les pores se remplissent partiellement

d'air. L’atmosphère contient actuellement environ 0.33 ml de gaz carbonique (CO2) par litre d’air. Le CO2 est

alors susceptible de diffuser à travers la phase gazeuse du ciment. On constate que le ciment est totalement

saturé en eau et ne se carbonatent que sur leur couche limite du fait d'un colmatage immédiat des pores parformation de calcite.)

Le CO2 présent dans la phase gazeuse se dissout dans la solution interstitielle des pores pour former des

ions carbonates qui réagissent principalement avec les ions calcium Ca2+. La modification de l'équilibre

chimique entre les hydrates de la matrice cimentaire et la solution interstitielle entraîne une dissolution des

hydrates. Le nouvel équilibre chimique correspond alors à une solution bien plus acide qu'initialement. Le pH

passe d'une valeur de 13 dans la zone non carbonatée à une valeur inférieure à 9 dans la zone dégradée. La

réaction de Ca(OH)2 du béton avec le CO2 est appelée

Processus de carbonatation :

« carbonatation du béton ».

On peut dire que La carbonatation commence donc à la surface du béton et concerne une certaine

épaisseur (dite profondeur de carbonatation) de ce matériau. La détermination de cette profondeur de

carbonatation s’effectue sur une coupe fraîche de béton. Après dépoussiérage, on pulvérise un colorant sensible

au pH, la phénolphtaléine. Celle-ci vire au rouge violacé au contact de matériaux dont le pH est supérieur à 9,2

et demeure incolore pour les faibles valeurs de pH, c’est-à-dire pour les zones carbonatées.

http://fr.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9ton_arm%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Armature_%28technique%29http://fr.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9ton_arm%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9ton_arm%C3%A9http://fr.wikipedia.org/wiki/Armature_%28technique%29http://fr.wikipedia.org/wiki/B%C3%A9ton_arm%C3%A9


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3.

La carbonatation dans le béton peut se diviser en trois étapes principales :

Les étapes de la carbonatation :

Etape 01 :

La pénétration du CO2 dans le béton

Diffusion de dioxyde de carbone dans le béton

L’alcalinité du béton neuf est d’un pH de 12 à 13. Ce taux alcalin élevé protège l’armature métallique du

béton contre l’oxydation. Par contre, la pénétration de dioxyde de carbone (CO2) diminue le pH du béton.

Etape 02

La pénétration de l’eau par le CO2

: Dissolution du CO 2 dans l’eau

Des réactions chimiques en chaîne nécessitant la présence de : béton, d'acier, de CO2 et d'eau. Cette

réaction chimique, appelée “ carbonatation “.

Etape 03 :

L’oxydation ainsi provoquée amène une augmentation appréciable de son volume, à tel point que le béton

commence à se fissurer et à éclater.

Réaction chimique entre le dioxyde de carbone dissous et les hydroxydes de calcium

Ca(OH) 2 :


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4.

Les principaux facteurs qui influencent la vitesse de carbonatation du béton sont résumés dans le tableau :

Les facteurs qu’influencent à la carbonatation :

facteur influence

E/C (eau/ciment) Plus ce rapport est bas, plus la vitesse de carbonatation est faible

Dosage en ciment Une augmentation du dosage diminue la profondeur de carbonatation à un tempsdonné

Type de ciment les bétons de ciment avec des constituants secondaires (laitiers, cendres

volantes, pouzzolanes) se carbonatent plus rapidement sur les bétons au ciment

portland.

Résistance à la

compression

la vitesse de carbonatation diminue si l’augmentation de résistance se traduit par

une diminution de la porosité et une augmentation des produits

cure Une bonne cure diminue la vitesse de carbonatation, car le béton sera plus

compact et l’hydratation du ciment augmentée

humidité Vitesse de carbonatation maximum pour une humidité comprise entre

40% et 80%

Température Une augmentation de la température augmente la vitesse de carbonatation

5. Diagnostic et Traitement de la carbonatation :

Le diagnostic

Un diagnostique a pour but de rechercher la cause de la

dégradation. Il se compose d'une série d'essais de base comme:

:

• L'inspection visuelle qui a pour but de rechercher toutes

fissures et dégradations visibles.

• La localisation des armatures et la détermination de

l'enrobage des armatures à l'aide d'un profomètre

(pachomètre)

• La mesure de la dureté au scléromètre

• La mesure de la profondeur de carbonatation par

pulvérisation d'un indicateur de pH, la phénolphtaléine.

La coloration en rose représente la zone non carbonatée,

la partie incolore la zone carbonatée

• La mesure de la teneur en chlorures

Technique de réparation :

Après avoir élaboré un diagnostic adéquat la réparation peut débuter. Le pourtour de la surface à réparer

devra comporter des arêtes franches (meule) pour la propreté de la réparation.

Les zones de béton dégradées doivent être enlevées pour retrouver la surface saine du béton. Des

marteaux piqueurs et/ou l’hydro-démolition sont habituellement employés.

Le pachomètre


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Le traitement des armatures :

Après l'enlèvement des parties friables et le dégagement des armatures, les opérations de brossage et de

grattage pour éliminer la rouille peuvent s'opérer. Un inhibiteur de rouille est possible et peut être appliqué.

En cas de diminution sensible de la section des aciers, il y aura lieu de renforcer ou de remplacer.

L’épaisseur de recouvrement minimale des armatures devra être respectée dans tous les cas car celle-ci

est un facteur important pour sa protection.

La réparation du béton :

Après le traitement des armatures nous pouvons appliquer le béton de réparation. Le type de béton

nécessaire est choisi soigneusement en fonction du caractère de réparation désirée.

Le produit de réparation choisi sera appliqué une fois les surfaces bien nettoyées. Une application dumortier par couches successives de 5 à 50 mm maximum doit être réalisé en le comprimant fortement à l'aide

d'une truelle. Il est important de bien damer le mortier autour des barres de l'armature afin d'éviter des

inclusions d'air.


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La qualité finale et la pérennité des travaux de réparation sont conditionnées par le soin apporté à laréparation des supports ainsi qu'à la qualité de mise en œuvre des produits.

D'une manière générale, il est indispensable de se reporter à la réglementation et aux normes en

vigueur, ainsi qu'aux spécifications techniques contenues dans les fiches techniques.

La finition :

d’appliquer une peinture définitive avec propriété de protection du béton contre la carbonatation et/ou

talochage traditionnel des parties réparées.


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1.

II- Alcali-réaction

Généralité

Pendant longtemps, on a cru que les granulats utilisés pour la fabrication du béton étaient chimiquement

inertes. Depuis que le phénomène d’expansion et de détérioration précoce du béton par l’alcali-réaction a étéidentifié pour la première fois en 1940 dans un barrage aux Etats-Unis, le problème a été reconnu dans

quasiment tous les pays du globe. C’est aujourd’hui un sujet très étudié qui est à la 12éme place au classement

des causes de détériorations des ouvrages en béton.

:

2. Définition :

L’alcali-réaction ou La réaction alcali-granulat (RAG) est une réaction chimique entre des granulats

réactifs et les alcalins contenus dans le ciment. Cette réaction produit une expansion à l’intérieur du béton qui

va créer des tensions, puis des gonflements et des fissures.

3.

Il existe 3 types de réactions alcali-granulats, la réaction alcali-silice, la réaction alcali-silicate ainsi que la

réaction alcali-carbonate.

Types d’alcali-réaction:

Les réactions alcali-carbonate

: Cette réaction est créée avec des granulats composés de dolomite

argileuse et de calcaire à grains fins avec inclusion de minéraux argileux, le mécanisme de gonflement

est lié à l’absorption d’eau des argiles.

La réaction alcali-silicate

: elle est semblable à la réaction alcali-silice mais de cinétique plus lente, elle

est très rare et va se produire en général quelques décennies après la fabrication de l’élément en béton.

La réaction alcali-silice

Dégâts de RAG d’un mur de soutènement béton dégradé par l'alcali-réaction.

: il s’agit le type le plus courant des réactions qui se produit en général dans un

délai de quelques années après la fabrication de l’élément en béton, c’est celle que nous allons étudier

dans ce travail.

4.

Pour qu’une réaction alcali-granulat puisse se déclencher, il faut que 3 conditions soient réunies :

Conditions d'apparition de l'alcali-réaction:

Une teneur suffisante en alcalins :

Dont la plus grande part est contenue dans le ciment mais que l’on peut également retrouver

dans certains granulats (comme les verres volcaniques, les feld spats et les Micas), dans les ajouts

(comme les laitiers et les cendres volantes qui contiennent beaucoup moins d’alcalin actif que le

ciment) et les adjuvants qui sont peu actifs.


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Des granulats réactifs :

Dont le type peut faire varier la réaction. Certains granulats ont une composition minéralogique

plus réactive que d’autres. Un granulat concassé sera plus réactif qu’un granulat roulé car ses parties

fraîchement mises à nu par le concassage présentent plus de matière réactive qu’un granulat roulé qui

aura été poli.

Une humidité constante du béton :

De 70 à 80% qui va permettre le transport des alcalins vers les phases réactives. On entend par

là que seuls les ouvrages en béton qui sont constamment en contact avec de l’eau comme les piscines,

les murs de soutènement, les tunnels, les barrages et autres ouvrages hydrauliques contiennent assez

d’humidité pour que la réaction puisse se produire. On peut rajouter à ces ouvrages, tous les éléments

en béton qui ne sont pas en contact avec l’eau, mais qui ont une grande épaisseur, dont l’humidité ne

descend pas en général en dessous de 70%.

D’autre facteurs pourront influencer la réaction comme des hausses de température qui peuvent

largement l’accélérer ou des charges alcalines externes dues aux eaux souterraines, aux eaux sulfatées

et aux eaux issues des sels de déverglaçâtes.

En effet, rien ne se passerait sans eau, et une humidité relative d’au moins 80 % semble indispensable

au développement de la réaction.

Les mécanismes de l'alcali-réaction consistent, généralement, en la dissolution de la silice par la solution

interstitielle alcaline du béton suivie de la formation d'un gel gonflant.

5. Désordres dus à l'alcali-réaction

En général les désordres apparaissent à des échéances variables de deux à dix ans ou plus. On peut

relever plusieurs types de désordres :

:

Influence sur les propriétés mécaniques : peuvent se voir ainsi diminuer de 30–50 %.

La fissuration en réseau : C’est le dégât le plus fréquemment rencontré sur les parements des ouvrages

atteints par les réactions. Cette fissuration est généralement irrégulière et peut prendre la forme de :

-

Un faïençage avec des mailles de petites dimensions (20 à 50 mm).

-

Un réseau de fissures de dimension plus grande (30 à 40 cm).

-

une fissuration orientée (plus rare) qui reproduit sur le parement du béton le tracé des contraintesrégnant au sein de l’élément.

Les ouvertures des fissures sont variables suivant l’état d’avancement des réactions. Elles peuvent être

de quelques dixièmes de millimètres pour un petit faïençage et atteindre quelques millimètres pour une

fissuration à larges mailles.

Conditions d'apparition

de l'alcali-réaction


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La profondeur des fissures évolue aussi en fonction du degré d’avancement des réactions. Elle peut

atteindre quelques centimètres, voire se propager en profondeur jusqu’au stade ultime où la paroi en béton se

transforme en un assemblage de moellons retenus par les armatures.

Ces fissures sont souvent soulignées par une couleur blanchâtre provenant de l’exsudat du gel de silice

qui ressort à la surface du béton ou par une couleur brunâtre due à la corrosion des armatures.

6.

Il n’existe pas à l’heure actuel de traitement qui soit suffisamment efficace pour réparer définitivement les

ouvrages malades ou de stopper l’évolution des désordres. Il y a quand même quelques méthodes qui peuvent

freiner l’évolution des réactions comme :

Les possibilités de réparation :

L’injection de résines époxy dans les fissures :

Qui va empêcher l’eau de rentrer à l’intérieur de celle-ci mais qui ne

va nullement protéger le reste du parement. Donc au bout d’un certain

temps, les fissures peuvent se rouvrir ou de nouvelles peuvent se créer à

proximité.

Eviter la réaction par le mélange du béton :

• La première méthode pour éviter les désordres causés par les

réactions alcali-granulats est de s’approvisionner en sable et en

granulat non réactif, mais cela peut parfois causer un problème au

niveau économique et écologique car les granulats non réactifs les

plus près sont souvent très loin.

• La méthode la plus utilisée et la plus économique pour empêcher les réactions alcali-granulats est

d’utiliser des ciments avec ajouts minérales. En effet, l’introduction d’additions minérales dans les

ciments peut réduire ou annuler l’expansion provoquée par l’alcali-réaction.

Les ajouts qui ont été utilisés avec succès sont : les fumées de silice qui piègent les alcalins, les cendres

volantes qui piègent les alcalins et les laitiers de haut fourneau qui fixent et piègent les alcalins.

• Un rapport E/C en dessous de 0.5 a pour effet d’augmenter la résistance, tout en réduisant la

perméabilité et la porosité du béton, ce qui va le protéger contre l’eau et les éventuels effortsd’expansion de la réaction.

Exemple de faïençage

Exemple de fissurations


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Eviter la réaction par les méthodes de construction :

Une des 3 conditions qui est nécessaire à la réaction pour se produire est l’eau. Il faut donc empêcher

l’arrivée de l’humidité au sein d’un ouvrage. Un drainage avec une bonne étanchéité peut régler définitivement

ce problème, mais aussi une bonne disposition des joints de l’ouvrage est importante.

Il faut aussi faire très attention à la pose des armatures et bien respecter l’épaisseur minimaled’enrobage, car un fer qui ressort du béton va se corroder et créer une ouverture qui va amener de l’eau dans le

béton.

L’exécution du bétonnage doit être soignée et le béton doit avoir une bonne ouvrabilité et être mis en

place sans ségrégation, mais il faut aussi porter une attention toute particulière à la cure.


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III-

1.

Réactions sulfatiques

Généralité

Les attaques sulfatiques sont un problème majeur de durabilité des bétons. Ces attaques détruisent le béton en

dégradant ses propriétés mécaniques. Il s’agit notamment des réactions sulfatiques qui provoque desgonflements dans le béton et des réseaux de fissures.

:

2.

Les phénomènes à l’origine de l’attaque sulfatique ne sont pas parfaitement bien connus ni maîtrisés.

L’attaque sulfatique est associée à la précipitation de produits sulfatés secondaires, d’une expansion importante

et de la détérioration chimio-mécanique (modifications des propriétés de transport de la porosité, fissures, perte

de résistance et de cohésion,…). Ceci peut conduire à la ruine du matériau cimentaire, à plus ou moins long

terme en fonction de l’attaque (nature, teneur et concentration des sulfates au contact) et du ciment utilisé (type

et rapport Eau/Ciment). (23)

Définition de La réaction sulfatique:

3.

Les facteurs sont à prendre en :

Facteurs influent aux attaques sulfatiques :

- Une teneur élevée en sulfates provenant du ciment et/ou des granulats.

- Un environnement humide favorise les échanges et le transport des ions.

- Un taux important d’alcalins dans le béton contribue également à enrichir le milieu en sulfates.

4.

On distingue :

Types d’attaque sulfatique :

l’attaque sulfatique interne, qui fait intervenir des sulfates déjà présents dans les constituants de béton

(DEF).

l’attaque sulfatique externe qui se produit dès lors que les conditions externes sont réunies et au

contact direct avec une source de sulfate (sols, eaux, atmosphère).

4.1.

- RSI = réaction sulfatique interne.

Réaction interne (RSI) ou (DEF):

- DEF = formation différée d'ettringite.

La réaction sulfatique interne est une pathologie des matériauxcimentaires, Cette pathologie est liée à la formation d’un hydrate qui est

« l’ettringite ».

L’ettringite est une espèce minérale contenant des sulfates,

Cette espèce est un trisulfoaluminate de calcium hydraté en notation

cimentière issu de la réaction entre les aluminates de calcium et le

gypse. Une couche d’ettringite se forme alors autour des grains de ciment anhydres.

4.1.1

l’humidité environnementale.

Condition de RSI :

Trois conditions doivent être remplies pour déclencher cette pathologie :

La température élevée.

La nature du ciment.


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4.1.2. Symptômes de RSI : on peut distingue

Gonflement du béton à cœur fissuration / faïençage du parement.

a)

Lorsqu’un béton est exposé à un environnement riche en sulfates, notamment vis-à-vis des

caractéristiques du ciment. Cependant, dans certains cas rares, le béton subi un échauffement au jeune âge, la

formation différée d’ettringite peut avoir lieu sans apport d’ions sulfate externes. Ces réactions sont

susceptibles de provoquer un gonflement du béton.

Phénomène de gonflement interne sulfatique :

Incidences du gonflement

L’origine du gonflement et la nature des paramètres impliqués ont fait l’objet de nombreuses études. On a

constaté l’incidence importante:

:

• de la température du béton lors de sa prise et de ses traitements thermiques.

• de la teneur en alcalin sur la solubilité de l’ettringite.

• de l’humidité (l’eau étant un des facteurs fondamentaux de la réaction). Les cas de structures

concernées par cette pathologie sont peu nombreux. (27)

b)

Les réactions internes sulfatiques sont caractérisées par des fissures en surface qui apparaissent après

plusieurs années d’exposition à des conditions sévères caractérisées par une forte humidité. Ce phénomène rare

peut se rencontrer, seulement dans des environnements humides, dans des pièces massives en béton coulées en

place en période estivale ou sur des pièces de béton ayant subi un traitement thermique.

4.2

Phénomène de fissuration / faïençage du parement :

Réaction ou attaque externe :

L’attaque sulfatique externe se produit lorsqu’un matériau cimentaire se trouve en contact direct avec

une source de sulfate, comme dans les sols, les eaux souterraines, les eaux d’infiltrations, les pluies acides

(acide sulfurique) liées à la pollution industrielle atmosphérique.


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Schéma d’influence par les 03 risques

4.2.1.

• Le transfert dans le milieu poreux des ions sulfates qui est contrôlé par la perméabilité et la diffusivité

des matériaux,

Processus de l’attaque sulfatique externe :

Elle peut être décrite selon trois processus permettant d’évaluer l’agression :

• Les réactions chimiques entre les composants de la pâte de ciment, qui dépendent du ciment utilisé, et

de l’apport en ions SO42-,

• Le phénomène d’expansion, résultant de la cristallisation de nouveaux hydrates.

4.2.2.

De la qualité du béton à savoir la composition du ciment, le mode de fabrication, la cure, l’état

d’endommagement du béton avant l’attaque.

Facteurs reliant à l’attaque sulfatique externe

La quantité de sulfates pouvant intervenir dans les réactions dépend de chaque source considérée : lieu,

quantité, type.

L’intensité du mécanisme de l’expansion sulfatique va dépendre :

De l’exposition sur le site à savoir la concentration en SO42- et sa distribution dans le sol, l’humidité,

les opportunités de transport.

Des conditions environnementales et atmosphériques à savoir les changements d’humidité, la fréquence

des intempéries, la température, la surface exposée.

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