Fiche de révision : Pathologies des bétons

📋 Plan du Cours

1. Origine et prévention des pathologies
2. Corrosion par carbonatation
3. Corrosion par les chlorures
4. Diagnostic et réparation de la corrosion
5. Réactions sulfatiques et alcali-réaction
6. Autres attaques chimiques du béton
7. Gel-dégel et incendie
8. Retraits et déficit d’hydratation

📖 1. Origine et prévention des pathologies

🔑 Notions clés & Définitions

• Pathologie : Science qui étudie les maladies, notamment leurs causes et leurs mécanismes.

★ À maîtriser

• Les dégradations du béton peuvent causer des dommages irréversibles, entraîner la ruine de l’ouvrage et générer des coûts de réparation très importants.

📌 La prévention des pathologies est privilégiée par rapport aux réparations curatives.

• Les acteurs de la construction ont les rôles suivants :
  • Le maître d’ouvrage définit les contraintes de durée de vie et de budget
  • Le maître d’œuvre conçoit l’ouvrage selon le site et les contraintes du maître d’ouvrage
  • Les entreprises réalisent l’ouvrage conformément aux règles

Compléments

• Les attaques subies par le béton proviennent de son environnement, notamment du sol, de l’air, de l’eau, de la météo, de la température, des agents chimiques et des composants du béton.

• Les sinistres sont principalement associés à des défauts de réalisation comme un enrobage non respecté ou l’ajout d’eau au béton, à des problèmes de conception et à l’absence de retour d’expérience à long terme.

💡 Astuce mémo

Défauts de conception ou d’exécution → désordres → risque pour l’ouvrage

📖 2. Corrosion par carbonatation

★ À maîtriser

• La corrosion des armatures est fréquente dans les ouvrages exposés à l’air, proches de la mer, très humides ou exposés au sel de déverglaçage.

• La corrosion des armatures peut faire gonfler l’acier et éclater le béton, provoquer la chute de blocs et diminuer la capacité portante jusqu’à la ruine de l’ouvrage.

• Le béton sain présente un pH de l’ordre de 12 à 13, qui forme une couche de passivation protégeant les armatures.

• La carbonatation résulte de la réaction du CO₂ de l’air avec les produits hydratés du ciment, notamment la portlandite, pour produire du carbonate de calcium selon $\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 + H_2O \rightarrow CaCO_3 + 2H_2O}$.

• La carbonatation neutralise progressivement l’alcalinité du béton, abaisse son pH vers 9 et détruit la passivation des armatures ; elle progresse de la surface exposée à l’air vers l’intérieur.

Compléments

• Les armatures sont généralement en acier, alliage de fer et de carbone, et reprennent les efforts de traction, certains efforts de compression et les efforts internes liés notamment au retrait et à la dilatation.

• La vitesse de carbonatation dépend de l’exposition au CO₂, de la porosité du béton et de l’humidité relative, et elle est maximale autour de 60 % d’humidité relative, presque nulle en atmosphère sèche ou dans un béton complètement saturé.

💡 Astuce mémo

Béton sain basique : acier passivé ; béton carbonaté : acier dépassivé

📖 3. Corrosion par les chlorures

★ À maîtriser

• Les chlorures présents dans le béton peuvent provenir de granulats marins non lavés, d’eau de gâchage de mer ou d’adjuvants chlorés, tandis que les apports extérieurs comprennent les chlorures marins et les sels de déverglaçage.

• La corrosion par les chlorures s’amorce lorsque leur teneur au niveau des armatures atteint environ 0,4 à 0,5 % de la masse de ciment, et ce seuil est atteint plus rapidement si le béton est carbonaté.

• En présence d’eau et d’oxygène, les chlorures dépassivant l’acier amorcent des piqûres de corrosion qui peuvent ensuite se généraliser à sa surface.

Compléments

• La pénétration extérieure des chlorures dépend de l’exposition, de la présence d’eau et d’oxygène ainsi que de la porosité du béton, et se fait de la surface vers l’intérieur.

• La présence de chlorures se détecte par des prélèvements de béton, notamment au droit des armatures, suivis d’un dosage en laboratoire ; au-delà de 0,4 % de la masse de ciment, il existe un risque de corrosion.

📌 Pour limiter la corrosion par les chlorures, il faut assurer un enrobage suffisant, adapter la qualité du béton à l’exposition, limiter la pénétration des chlorures, de l’oxygène et de l’eau, et mettre correctement le béton en œuvre sans ajout d’eau.

📖 4. Diagnostic et réparation de la corrosion

★ À maîtriser

• Le diagnostic préalable comprend :

  • Le relevé visuel des fissures liées à la corrosion
  • La mesure de la profondeur de carbonatation
  • La mesure de l’enrobage par ferroscan ou radar
  • La mesure du potentiel des armatures

• La réparation d’une épaufrure consiste à dégager les armatures corrodées sans les abîmer, à les brosser et les passiver, puis à reconstituer soigneusement l’enrobage avec un mortier de réparation fibré sans retrait.

📌 Un diagnostic incomplet des zones carbonatées ou chlorées peut laisser une réparation jouer le rôle de cathode et déplacer la corrosion vers d’autres zones du ferraillage.

Compléments

• Les inhibiteurs de corrosion appliqués en surface migrent dans le béton, contribuent à rétablir la passivation des armatures et ralentissent surtout la corrosion liée à la carbonatation.

• Les revêtements étanches à l’eau limitent sa pénétration et peuvent être hydrophobes ou filmogènes ; les revêtements étanches au gaz, notamment au CO₂, ralentissent la carbonatation, et les produits utilisés sur les bâtiments doivent laisser passer la vapeur d’eau.

• Les traitements possibles comprennent :

  • Le remplacement complet du béton carbonaté ou chloré
  • La protection cathodique par courant imposé
  • La protection cathodique par anode sacrificielle
  • La réalcalinisation du béton
  • La déchloruration

💡 Astuce mémo

Dégager, nettoyer et passiver, puis reconstituer l’enrobage

📖 5. Réactions sulfatiques et alcali-réaction

🔑 Notions clés & Définitions

• Réaction sulfatique interne : Formation différée d’ettringite à l’intérieur du béton, susceptible de provoquer son gonflement.
• Alcali-réaction : Gonflement interne du béton causé par la réaction entre des phases minérales mal cristallisées de certains granulats et les alcalins de la solution interstitielle.

★ À maîtriser

• À température élevée, notamment au-delà de 60 °C, l’ettringite primaire peut se dissoudre dans la solution interstitielle ; après le retour à température ambiante, l’humidité permet la reprécipitation d’ettringite différée dans la pâte durcie.

📌 La réaction sulfatique interne nécessite une forte élévation de température, une forte humidité et une composition particulière du béton ; elle concerne notamment des ouvrages préfabriqués ou massifs et des ouvrages fortement exposés à l’eau.

• Les granulats sont classés en trois catégories :
  • Potentiellement réactifs (PR)
  • Potentiellement réactifs avec effet de pessimum (PRP)
  • Non réactifs (NR)

Compléments

• La réaction sulfatique interne produit souvent un réseau de fissures multidirectionnelles et peut réduire la résistance du béton tout en facilitant la pénétration d’agents agressifs jusqu’aux aciers.

• Les alcalins de l’alcali-réaction, principalement le sodium et le potassium exprimés en Na₂O équivalent, proviennent notamment du ciment, de l’eau de gâchage, des granulats, des adjuvants, des additions et d’apports extérieurs comme les eaux salines.

• L’alcali-réaction forme des gels silico-calco-alcalins qui peuvent créer des contraintes de gonflement supérieures à la résistance en traction du béton et produire des fissures multidirectionnelles ou unidirectionnelles si le gonflement est contraint.

💡 Astuce mémo

RSI : sulfates internes ; RSE : sulfates externes

📖 6. Autres attaques chimiques du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Lixiviation : Disparition de la phase liante autour des granulats sous l’action d’une eau peu minéralisée qui capte notamment les ions calcium du béton.

★ À maîtriser

• Les sulfates externes peuvent provenir :

  • De l’air, notamment H₂S et SO₂
  • Du sol, notamment du gypse, des pyrites et des engrais
  • De solutions, notamment de l’eau de mer, des eaux souterraines et de pollutions de l’industrie chimique

• En milieu riche en H₂S, les bactéries produisent de l’acide sulfurique selon la réaction $\mathrm{H_2S + bactéries + O_2 \rightarrow H_2SO_4}$, qui attaque les composants du béton.

Compléments

• La lixiviation apparaît notamment sur des parements exposés à un écoulement continu d’eau peu minéralisée ou à un stockage permanent, et laisse une surface délavée où les granulats deviennent visibles.

• L’attaque bactérienne concerne notamment les réseaux d’assainissement, les stations d’épuration, de pompage et de traitement, et son intensité augmente avec la condensation, la concentration en H₂S et la température.

• Une atmosphère sans condensation, avec H₂S inférieur à 10 mg/m³ et une température inférieure à 10 °C, ne provoque pas d’attaque ; avec condensation, 10 à 50 mg/m³ de H₂S et une température supérieure à 10 °C, l’attaque est faible ; au-delà de 50 mg/m³ avec condensation et une température supérieure à 10 °C, elle est très forte.

• Le nitrate d’ammonium réagit avec la portlandite selon $\mathrm{Ca(OH)_2 + 2NH_4NO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + 2NH_4OH}$, formant du nitrate de calcium soluble et de l’ammoniaque ; l’eau est nécessaire à cette attaque lixiviante, notamment dans les silos et les tours de prilling.

• Les réparations des attaques chimiques comprennent le diagnostic de la profondeur d’altération, la réduction des venues d’eau ou des agents agressifs selon le cas, la purge du béton dégradé et sa reconstitution par béton projeté ou mortier adapté à l’environnement.

💡 Astuce mémo

Eau peu minéralisée ou acide → dissolution de la phase liante

📖 7. Gel-dégel et incendie

★ À maîtriser

• L’importance des dégradations dépend :
  • Du nombre de cycles de gel-dégel
  • De la vitesse de refroidissement
  • De la température minimale atteinte
  • De la durée du gel
  • De l’exposition de l’ouvrage à l’eau

📌 Le gel interne provoque une microfissuration dans la masse du béton, tandis que l’écaillage correspond au délitage de sa zone superficielle sous l’action des cycles de gel-dégel.

• Un incendie peut altérer les armatures par dilatation et modification de leurs caractéristiques mécaniques, et altérer le béton par écaillage et variation de teinte.

• À partir de 100 °C, l’eau des macropores s’évapore et une montée rapide en température peut faire éclater le béton ; à partir de 300 °C, la pâte de ciment se transforme et se microfissure ; entre 450 et 550 °C, la portlandite se déshydrate ; entre 700 et 900 °C, les carbonates se décarbonatent ; entre 1 200 et 1 300 °C, les silicates commencent à fondre, et à partir de 1 300 °C les granulats et la pâte cimentaire commencent à fondre.

• Le béton commence à perdre de la résistance à partir de 200 à 300 °C, la limite élastique des aciers diminue et leur adhérence au béton baisse dès 150 °C pour devenir presque nulle à 500 °C.

Compléments

• Les principales attaques physiques du béton sont le gel-dégel et l’incendie, qui résultent d’actions mécaniques ou thermiques.

📌 La prévention du gel-dégel consiste à créer de l’espace permettant à l’eau d’augmenter de volume.

• Après un incendie, l’évaluation du béton peut s’appuyer sur des carottages, la mesure de la vitesse du son, le scléromètre et l’observation d’une coloration rosée, puis la réparation comprend le diagnostic, la purge, le remplacement éventuel des aciers altérés et la reconstitution par béton projeté ou mortier.

📖 8. Retraits et déficit d’hydratation

🔑 Notions clés & Définitions

• Retrait du béton : Diminution de volume due à différents phénomènes, notamment la température.

★ À maîtriser

• Les types de retrait comprennent :

  • Le retrait de séchage
  • Le retrait de dessiccation
  • Le retrait endogène ou auto-dessiccation
  • Le retrait thermique

• Le ressuage survient avant la prise lorsque le squelette granulaire se tasse et fait apparaître une pellicule d’eau claire en surface ; si les déformations sont gênées par des armatures ou des variations d’épaisseur, des fissures superficielles peuvent apparaître.

📌 Le retrait endogène apparaît après la prise, dès le début du durcissement, notamment dans les bétons hautes performances de rapport eau/ciment inférieur à 0,35, lorsque les hydrates occupent moins de volume que l’eau et le ciment initiaux et provoquent une dépression capillaire.

📌 Le retrait thermique survient pendant le durcissement ou quelques semaines après la mise en place, lorsque le béton se contracte en refroidissant après l’échauffement exothermique du ciment ; il concerne notamment les pièces massives de plus de 60 cm.

• 🔄 Le diagnostic d’une fissure consiste à :
  1. Rechercher son origine
  2. Évaluer son impact sur la stabilité de la structure
  3. Évaluer son impact sur l’utilisation de la structure
  4. Déterminer si elle est évolutive et mesurer son ouverture si elle l’est

📌 Une fissure stable peut être calfeutrée, pontée ou injectée ; une fissure évolutive peut nécessiter un renforcement ou un confortement pour la stabiliser, ou un produit de traitement capable d’absorber les déformations.

Compléments

• Le retrait de dessiccation est favorisé par :

  • Un dosage en eau excessif
  • Une prise lente du ciment
  • Le vent, l’humidité et la température
  • L’absence de cure du béton
  • L’absence de joint de retrait

• Le déficit d’hydratation est favorisé par une température ambiante élevée, une faible humidité relative ou le vent ; il entraîne une mauvaise hydratation superficielle, une faible cohésion du béton et le décollement de peintures ou revêtements, et se répare par purge puis ragréage.