6.3 Béton résistant aux attaques chimiques
6.3.1 Introduction
Les bétons, placés dans des environnements naturels ou industriels, sont parfois exposés à un milieu chimiquement agressif et nocif. Parmi les attaques chimiques du béton, on distingue généralement les mécanismes d’attaque dissolvante de ceux d’attaque gonflante. Dans ce chapitre ne sera traité, sous le thème des attaques gonflantes, que la problématique de la résistance aux sulfates. La résistance vis-àvis de la réaction alcalis-granulats, aussi gonflante, est discutée ici: Béton résistant à la réaction alcalis-granulats.
La pâte de ciment poreuse est, en règle générale, moins durable chimiquement que le granulat nettement plus dense. Cependant, la résistance chimique du béton peut être améliorée au moyen de mesures relatives à la technologie du béton, en particulier en augmentant sa densité et pae le choix d’un ciment approprié. Les chapitres 8.6 à 8.8 exposent, de maniére exhaustive, les dégâts engendrés par les attaques dissolvantes et gonflantes.
6.3.2 Exigences normatives
Généralités
La norme SN EN 206 procède à une classification en trois classes d’exposition XA (acid) en fonction du degré d’agressivité:
- XA1: environnement chimique faiblement agressif
- XA2: environnement chimique moyennement agressif
- XA3: environnement chimique fortement agressif
En cas de suspicion de substances agressives, une évaluation de l’agressivité des eaux, des sols et gaz susceptibles d’attaquer le béton est nécessaire à l’aide d’analyses chimiques. Le degré d’agressivité de la nappe phréatique, ou des sols de composition essentiellement naturelle, est évalué sur la base des valeurs limites données par la norme SN EN 206 (voir tableau 6.3.1). Elles sont valables pour des eaux stagnantes ou à faible vitesse d’écoulement, présentes en grande quantité et en contact direct, sous des températures ambiantes comprises entre 5° C et 25° C. L’attaque est supposée se produire, sous des conditions hydrostatiques, dans un environnement naturel.
La valeur la plus élevée rencontrée pour chaque paramètre chimique du tableau 6.3.1 détermine la classe d’exposition. Si deux ou plusieurs caractéristiques chimiques conduisent à la même classe d’exposition, l’environnement doit être classé dans la classe immédiatement supérieure, à moins qu’une autre approche ne soit proposée par des spécialistes.
Dans le cas des eaux souterraines, la situation géologique permet une estimation de l’agressivité des eaux à l’égard du béton (acide carbonique agressif, dureté). Les eaux de fonte, de pluie ou de surface sont normalement des eaux douces. Les eaux souterraines peuvent contenir des sulfates à proximité des dépôts de charbon ou de scories ou dans des sols argileux. De même, des composés soufrés peuvent être rencontrés suite à l’oxydation de la pyrite et autres sulfures.
Fig. 6.3.1: Eau sulfatée dans les Préalpes.
Tab. 6.3.1: Valeurs limites pour les classes d’exposition correspondant aux attaques chimiques des sols naturels et eaux souterraines selon la norme SN EN 206.
Les acides libres sont rares dans la nature, hormis l’acide carbonique. Le gaz carbonique peut être présent dans les eaux de source, mais aussi se former dans des eaux putrides par les processus de fermentation des matières animales ou végétales. Dans les marais et zones marécageuses, la nappe phréatique peut devenir acide par l’oxydation de l’hydrogène sulfuré lorsque le sol ne contient pas de calcaire pour sa neutralisation. Par contre, les eaux usées industrielles peuvent contenir des acides spécifiques (p. ex. acides lactiques) ou des sels (p. ex. sulfates).
La résistance chimique du béton à propriétés spécifiées est réglée dans la norme SN EN 206 par des exigences minimales relatives à la composition du béton, en particulier par le rapport E/C maximal (tab. 6.3.2). Cependant, dans le cas d’une classe d’exposition XA3 ou d’attaque par sulfates des pieux forés ou des parois moulées, la consultation de spécialistes est préconisée (béton pour parois moules et pieux forés). Le béton des bassins de traitement biologique des stations d’épuration des eaux usées communales doit respecter les exigences minimales correspondant au béton de la sorte F (T3) et de la classe d’exposition XAA, définie dans le Cahier technique no 1 de cemsuisse. Pour les pieux forés et les parois moulées de la catégorie P1, c.-à-d. dans un environnement sec, une attaque par sulfates est considérée comme improbable.
Lorsqu’une classe d’exposition XA est spécifiée à cause d’un risque d’attaque par sulfates, l’emploi de ciments à haute résistance aux sulfates selon la norme SN EN 206 est prescrit (exigences normatives). La résistance aux sulfates du béton n’est pas à prouver dans le cas de l’utilisation d’un ciment à haute résistance aux sulfates. Par contre, si dans certains cas des ciments ou des combinaisons de ciments et d'additions sont choisis et qu’ils ne sont pas considérés par la norme SN EN 206 comme ciments à haute résistance aux sulfates, les conditions suivantes doivent être remplies:
- seuls les ciments libérés pour les bétons du génie civil sont admis
- la preuve de la résistance aux sulfates du béton doit être fournie sur la base de l’essai de la norme SIA 262/1, annexe D. L’allongement Δl ne dépassera pas la valeur limite de 1.2 ‰
- la preuve est à fournir pour chaque sorte de béton
- la constitution de familles de béton n’est pas admise
- dans le cadre de l’essai initial selon l’annexe A de la norme SN EN 206, il faut réaliser trois essais pour chaque sorte de béton, portant sur trois éprouvettes confectionnées à partir de trois charges produites à trois jours différents
- la fréquence d’essai pour l’autocontrôle de la production est identique à celle du tableau NA.9 de la norme valable pour la résistance aux chlorures.
Essais
La résistance aux sulfates selon la norme SN EN 206 est contrôlée à l’aide de l’essai selon la norme SIA 262/1, annexe D. Cet essai présente la méthode de référence et consiste en plusieurs cycles de saturation, suivis d’une conservation pendant deux mois dans une solution de sulfates de sodium. Une autre procédure d’essai de mesure de la résistance aux sulfates est la méthode TFB (tab. 6.3.3), laquelle sera incorporée dans la norme SIA 262/1 sous le nom d’annexe L. Ces deux méthodes sont déjà associées de la manière suivante : la méthode de l’annexe L (méthode TFB) est à réaliser à chaque 3ème essai de l’annexe D . Les résultats d’essai des différentes méthodes ne montrent pas de corrélation significative à cause des différences de procédure.
L’essai de la résistance aux sulfates peut être spécifié en fonction des particularités du projet de construction, en choisissant ainsi un début d’essai retardé (p. ex. 90 jours au lieu de 28 jours).
Autres essais
Il n’existe pas de procédure d’essai suisse ou européenne pour les agressions chimiques dissolvantes. Les essais doivent être conçus de manière à simuler une attaque chimique spécifique. Il s’agit alors souvent de conservations dans un milieu agressif, éventuellement aggravées par des traitements mécaniques (abrasion), des sollicitations cycliques de température, de saturation et de séchage. Les méthodes d’essai indirectes, qui mesurent l’imperméabilité du béton à l’égard des fluides, p. ex. par la profondeur de pénétration des eaux sous pression selon la norme SN EN 12390-8, peuvent aussi servir de base pour une évaluation (voir tableau 6.3.4).
Tab. 6.3.4: Valeurs indicatives de la profondeur de pénétration d’eau pour l’évaluation de l’étanchéité du béton en tant que mesure de sa résistance aux attaques chimiques.
Tab. 6.3.2: Exigences minimales relatives à la composition du béton en cas d’attaque chimique dissolvante et d’attaque sulfate pour bétons avec Dmax = 32 mm selon la norme SN EN 206.
Tab. 6.3.3: Aperçu des méthodes d’essais les plus importantes relatives à la résistance aux sulfates du béton.
6.3.3 Technologie du béton
Généralités
La résistance du béton vis-à-vis des attaques dissolvantes et des sulfates repose sur sa résistance physique et chimique. La structure dense du béton, décisive pour sa résistance physique, dépend surtout du rapport E/C, du type de ciment et d’un compactage soigné ainsi que d’une cure suffisante. Le type de ciment et les éventuelles additions sont déterminants pour la résistance chimique du béton.
Ciment
Les ciments Portland composés avec des additions réactives, telles que le schiste calciné, le laitier, la cendre volante ou la fumée de silice peuvent améliorer la résistance chimique du béton. En remplissant avec leurs phases hydratées les pores de gel entre les produits d’hydratation du ciment, les additions peuvent contribuer à la densification de la structure du béton vis-à-vis des fluides agressifs. De plus, elles consomment de l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) pour former des silicates de calcium hydratés (C-S-H) pendant la réaction pouzzolanique ou hydraulique latente, ainsi moins d’hydroxyde de calcium lessivable ou échangeable demeure à disposition.
Fig. 6.3.2: Station d’épuration des eaux avec bassins d’activation et de décantation.
La résistance chimique d’un ciment en cas d’attaque par les sulfates dépend de la composition du clinker, de ciment (teneur en C3A), de la teneur en clinker, ainsi que du type et du dosage des autres constituants principaux du ciment.
Granulat
Les granulats naturels sont normalement nettement plus denses et chimiquement résistants que la pâte de ciment. Leur résistance chimique prend de l’importance seulement lors d’une agression sévère par des acides ou des bases fortes (dégradations du béton).
Additions
Les additions inertes au béton amenuisent sa résistance chimique, puisqu’elles augmentent habituellement la demande en eau et créent une structure plus poreuse du béton. Un dosage supérieur à 10 % en masse de farine calcaire favorise la formation de thaumasite (dégradations du béton).
Les additions réactives, comme p. ex. la cendre volante ou la fumée de silice, peuvent avoir un effet positif sur la résistance chimique, sous conditions d’un dosage et d’une finesse de broyage suffisants. Leur efficacité doit être testée en combinaison avec le ciment sélectionné.
Rapport E/C
Le rapport E/C est le paramètre décisif de la résistance chimique du béton En fonction du type d’attaque et de la classe d’exposition, il ne doit pas dépasser 0.50 selon la norme SN EN 206.
Mise en place et compactage
La surface du béton doit être lisse et dense, exempte de cavités, afin de ne pas offrir de points d’attaque aux agressions chimiques. Les moyens adéquats de prévention sont décrits ici: béton étanche à l'eau.
Cure
La classe de cure NBK 4 est recommandée pour les bétons résistant aux attaques chimiques. La durée de cure minimale est à adapter au type de ciment. Pour les types de ciments avec une montée lente en résistance, comme p. ex. le CEM III/B, une durée de cure suffisamment longue est cruciale, afin d’obtenir l’imperméabilité nécessaire face à la pénétration des substances chimiques.
6.3.4 Recommandations pour la réalisation de béton résistant aux attaques chimiques
Généralités
Une clarification détaillée de tous les facteurs d’influence et leurs relations s’avère nécessaire lors de la planification des éléments d'ouvrage en béton exposés à des attaques chimiques. Les conséquences d’un décapage du béton, appelé érosion du béton, sur la sécurité structurale, la durabilité et l’aptitude au service, ainsi que la surveillance et le maintien de l’ouvrage, doivent être étudiés.
Les indications de la norme SN EN 206, au tableau 6.3.1 béton résistant aux attaques chimiques, sont valables pour les sols naturels et les eaux souterraines agressifs, mais ne couvrent pas les attaques par des eaux usées ou des solutions concentrées, comme elles peuvent survenir dans l’industrie. Les informations importantes pour la planification des bassins de traitement biologiquesdes stations d’épuration des eaux usées sont fournies dans le Cahier technique no 1 de cemsuisse.
Une attaque chimique du béton peut aussi avoir lieu dans l’agriculture, l’industrie agro-alimentaire, telle que les laiteries, les fromageries ou les productions de jus de fruits, l’industrie chimique ou dans d’autres domaines particuliers (voir chapitre 8.5). Le niveau d’agressivité chimique doit être évalué en fonction de la situation spécifique. Dans les installations agricoles, industrielles ou hydrauliques, les mesures au niveau des procédés techniques et les mesures constructives doivent être envisagées et, le cas échéant, réalisées afin de réduire les risques d'attaques chimiques. Les tableaux 6.3.5 et 6.3.6 servent de base pour mieux apprécier le degré d’agressivité de certaines substances vis-à-vis du béton de certains ouvrages, qui ne sont pas mentionnées dans le tableau 6.3.1 béton résistant aux attaques chimiques.
Tab. 6.3.5: Exemples d’attaques chimiques qui ne sont pas couvertes par le tableau 6.3.1.
Puisque différents types d’attaques sont possibles, il est important de connaître exactement les conditions du milieu pour évaluer correctement son agressivité à l’égard du béton. Les facteurs suivants sont les plus déterminants:
- type et concentration des substances agressives et leur vitesse de réaction (tableau 6.3.6)
- conditions d’exposition de l’élément d'ouvrage, en particulier la température et l’humidité et leurs variations
- type d’attaque des substances agressives: unique, cyclique ou exposition permanente
- conditions d’écoulement: vitesse d’écoulement, turbulence, percolation en goutte à goutte
- sollicitations supplémentaires mécaniques par abrasion, nettoyage (au jet d’eau ou au moyen de produits chimiques)
- âge du béton au début de l’attaque chimique
La vitesse et le degré de dégradation sont, non seulement influencés par la nature des substances agressives, par la composition du béton, mais aussi par les conditions environnantes. Un béton sec absorbe plus de liquides et les substances nocives pénètrent en plus grande quantité et plus profondément dans le béton. L’élévation de la température accélère en général les réactions chimiques. Par contre, dans des conditions de basses températures, les fissures s’ouvrent et permettent aux fluides de pénétrer plus profondément dans le béton.
Le degré d’agressivité diminue en général lorsque les températures baissent (exception: dégâts avec thaumasite, attaque par acide carbonique) ou lorsque l’eau en faible quantité stagne pratiquement et ne se renouvelle pas. Si d’autres conditions règnent, p. ex. des températures, des pressions d’eau, des vitesses d’écoulement élevées ou des sollicitations mécaniques supplémentaires (surtout abrasion, nettoyage), le risque accru de dégâts doit être pris en compte au cas par cas.
Tab. 6.3.6: Degré d’agressivité chimique pour le béton de substances sélectionnées qui ne sont pas couvertes par le tableau 6.3.1.
Mesures supplémentaires
Les mesures constructives visent avant tout à réduire ou empêcher le contact direct avec les substances nocives et leur pénétration dans le béton. Les mesures citées (béton étanche à l'eau) sont appropriées. Les fissures, les joints de bétonnage et les nids de graviers constituent des voies de cheminement préférentiel pour les solutions chimiques agressives et sont, par une circulation permanente, le lieu de propagation des dégradations de la pâte de ciment. Normalement, les résidus insolubles de la pâte de ciment forment une couche protégeant la surface du béton tant qu’elle n’est pas lavée ou enlevée mécaniquement.
Un béton avec une étanchéité à l’eau suffisante est en général assez résistant vis à vis de l’eau douce. Mais, indépendamment du degré de dureté de l’eau, un certain lessivage se produit toujours lorsque le béton est soumis à une circulation permanente d’eau.
Dans le cas d’une exposition chimique agressive, des exigences accrues à élevées relatives à la largeur des fissures sont à prendre en compte. Les mesures adéquates pour limiter l’ouverture des fissures sont décrites ici: fissures.
Il faut veiller, dans le projet de construction, à ce que du côté humide tous les joints de dilatation et toutes les traversées soient étanches aux liquides et aux gaz. En cas de risque de formation d’hydrogène sulfuré, une ventilation suffisante doit être installée.
En cas d’agressivité extrême (p. ex. attaque par acides), la nécessité de mesures de protection complémentaires, p. ex. sous forme de revêtements synthétiques ou céramiques résistants, doit être évaluée par des spécialistes. Des revêtements en béton fibré à ultra-hautes performances peuvent constituer une solution valable pour de tels projets spéciaux, grâce à leur très haute densité (béton fibré à ultra-hautes performances).
L’aptitude des revêtements, des étanchéités de joints et des couches d’étanchéité doit être vérifiée par des essais préliminaires et des contrôles pendant l’exécution. Selon le type d’ouvrage et son utilisation, il faut prévoir des contrôles d’étanchéité des éléments d'ouvrage.
Fig. 6.3.3: Construction d’une usine d’incinération avec du béton résistant aux attaques chimiques.