HomeGuide pratique du béton8.5 Dégradations dues au gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage

8.5 Dégradations dues au gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage

8.5.1 Introduction

Les dégradations par les attaques de gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage affectent non seulement l’apparence, mais également la durabilité du béton d’enrobage. Les dégâts de gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage peuvent mener à d’autres dégradations ultérieures, comme p. ex. la corrosion de l’armature, une abrasion et une érosion accrue de la surface du béton.


8.5.2 Typologie apparente

Généralités

Les dégâts de gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage apparaissent, en règle générale, durant les premières périodes hivernales après le bétonnage. Elles se présentent sous forme de dégradations superficielles et internes de la microstructure:
  • un sablage et un écaillage de la surface du béton
  • des décollements ponctuels au-dessus des granulats non résistants au gel, des arêtes cassées et des fissures
  • des décollements de grande surface
  • des fissures dans la pâte de ciment
Il est possible d’évaluer visuellement les dégradationssuperficielles. Par contre, les dégradations internes microstructurales sont examinées, p. ex. dans des carottes de forage, par analyse microscopique ou à l’aide de mesure du module d’élasticité (perte du module d’élasticité).

Sablage et écaillage de la surface
L’altération superficielle sous forme d’un sablage ou d’un écaillage est le type de dégradation due au gel le plus souvent observé. En combinaison avec des sels de déverglaçage, l’altération s’intensifie considérablement (fig. 8.5.4).

Décollements ponctuels, arêtes cassées
Un décollement ponctuel à la surface, appelé «pop-out», résulte généralement de la présence d’un granulat gélif sous-jacent. Ces granulats sont souvent très poreux et absorbent de l’eau. Les granulats argileux subissent de plus un gonflement. L’altération du granulat provoque un décollement en forme de cratère de la pâte de ciment recouvrant le grain (fig. 8.1). Les exigences à l’égard des granulats sont définies dans les normes SN EN 12620 et SN 670 115 (bétons à propriétés particulières).
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Fig. 8.5.1: Dégradation sous forme de «pop-out» au-dessus d’un granulat non résistant au gel.
Décollements de grande surface et fissures
Des décollements plus profonds et des fissures conduisent au détachement de granulats et de fragments de pâte de ciment proches de la surface en cas de résistance au gel/sel insuffisante, voire mauvaise, du béton (fig. 8.5.2).

Selon le degré de saturation en eau de la pâte de ciment, les tensions s’y développant conduisent à une microfissuration. Au cours de la dégradation progressive par des cycles répétés de gel/dégel, la saturation en eau et les contraintes résultantes augmentent au fur et à mesure et aggravent l’intensité de l’attaque (voir fig. 8.5.3).

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Fig. 8.5.2: Décollements profonds et de grande surface d’un élément de bordure de trottoir.

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Fig. 8.5.3: Photo microscopique des dégradations microstructurales internes du béton sous forme de fissures de décollement le long des granulats.

Evaluation visuelle de la résistance au gel et aux sels de déverglaçage

La figure 8.5.4 donne des exemples de résistances au gel et aux sels de déverglaçage variables selon trois catégories – élevée, moyenne et insuffisante – pour des surfaces de béton d’un âge supérieur à 10 ans.


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Fig. 8.5.4: Exemples de résistances variables au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage pour des surfaces de béton d’un âge supérieur à 10 ans.

8.5.3 Causes et mesures préventives

Attaque par le gel

Pendant la transformation, sous l’effet du gel, de l’eau en glace dans la pâte de ciment poreuse, différents phénomènes ayant une influence décisive sur la résistance au gel se produisent:
  • augmentation du volume de l’eau
  • abaissement du point de congélation de l’eau dans les petits pores
  • processus de diffusion de l’eau dans la pâte de ciment poreuse
Tous ces processus dépendent du type et de la quantité des pores, respectivement de la distribution des diamètres de pores. La dégradation du béton par le gel est caractérisée par des mécanismes de destruction complexes.

Augmentation du volume de l’eau

La transition de phase entre l’eau et la glace s’accompagne d’une augmentation volumique de 9 % à cause de l’anomalie de masse volumique spécifique à l’eau. Si le système des pores contenus dans la pâte de ciment n’offre pas assez d’espace d’expansion volumique sous forme de pores accessibles et de vides, une contrainte interne de compression se crée. Cette contrainte provoque la fissuration du béton dès que sa résistance à la traction est dépassée (fig. 8.5.5).
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Fig. 8.5.5: Effet de l’augmentation de volume lors de la congélation de l’eau.

Abaissement du point de congélation dans les petits pores
Si le béton était complètement saturé en eau, sa structure devrait être détruite lors du premier cycle de gel. Cependant l’expérience pratique montre que les bétons d’une qualité suffisante ne montrent des dégradations qu’après de nombreux cycles de gel/dégel, même s’ils ont été saturés en eau auparavant. On observe dans le béton aucune congélation subite ou congélation omniprésente et simultanée. Le degré de saturation des pores et le point de congélation de l’eau contenue dans les pores dépendent du diamètre des pores. Lorsque le diamètre des pores diminue, leur degré de saturation augmente et le point de congélation de la solution des pores s’abaisse (tab. 8.5.1). De ce fait, l’eau dans les pores capillaires se congèle d’abord, tandis qu’elle reste à l’état liquide dans les pores de gel.

Effet de pompage
Les cycles de gel-dégel répétés donnent naissance à un effet de pompage qui mène à une saturation progressive du béton. L’eau gèle d’abord dans les plus grands pores. La pression de vapeur étant plus grande au-dessus de l’eau qu’au-dessus de la glace, l’eau encore à l’état liquide migre des pores capillaires vers les plus grands pores où elle gèle. On assiste donc à une vidange des pores capillaires et une accumulation de glace dans les plus grands pores.

Au moment de la fonte, la glace fond d’abord à la surface du béton, tandis qu’au coeur du béton le volume des pores est encore congelé. La zone de bordure du béton se dilate en se réchauffant et absorbe l’eau de fonte par les pores capillaires vides. Au cycle de gel suivant le processus recommence.


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Tab. 8.5.1: Degré de saturation des pores et point de congélation de la solution interstitielle des pores en fonction du type de pores.

Attaque par le gel en présence de sels de déverglaçage

Les sels de déverglaçage qui pénètrent dans le béton abaissent le point de congélation de la solution interstitielle des pores de telle manière que l’eau gèle à des températures nettement inférieures à 0° C.

Les sels de déverglaçage sont hygroscopiques, c.-à-d. qu’ils absorbent l’humidité de l’air. Le degré de saturation du béton chargé en sels augmente et renforce, dans la zone superficielle du béton, le risque de dégradation.

L’emploi des sels de déverglaçage intensifie les mécanismes de dégradations physiques du gel par les phénomènes suivants:
  • congélation par couches
  • choc thermique
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Fig. 8.5.6: Le parapet supportant le racloir d’un bassin d’une station d’épuration est fortement exposé aux attaques par le gel/dégel en présence de sels de déverglaçage.

Congélation par couches
Les sels de déverglaçage sont transportés sous l’effet des intempéries (lessivage et saturation) vers l’intérieur du béton. Les concentrations de sels sont souvent plus basses en surface que dans des zones plus profondes du béton. On observe à environ 10–20 mm de profondeur une concentration maximale en sels. Dans cette zone, la température de congélation de la solution interstitielle des pores riches en sels est clairement plus basse qu’en surface du béton (0–10 mm).

Si la température du béton tombe en dessous de zéro degré, la solution interstitielle des pores proches de la surface gèle en premier, suivie de celle des zones profondes (20–30 mm). Par contre la couche intermédiaire, avec la plus haute concentration de sels, ne gèle qu’en dernier.

Pour cette raison, la solution interstitielle des pores de cette couche intermédiaire ne peut plus s’échapper au moment de la congélation vers des zones voisines déjà gelées et des contraintes de compression induites par le gel se créent. Il en résulte une fissuration parallèle à la surface, engendrant des décollements superficiels (fig. 8.5.7).

Choc thermique
Le choc thermique survient quand la surface de béton congelée est traitée aux sels de déverglaçage. La chaleur de fusion de la glace est soutirée au béton sous-jacent, de manière à provoquer une chute des températures dans la zone proche de la surface du béton. La baisse subite de la température peut atteindre p. ex. jusqu’à 14 Kelvin en 1 à 2 minutes, et induit des autocontraintes dans la structure du béton, qui dépassent la résistance à la traction du béton.


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Fig. 8.5.7: Congélation par couches du béton sous l’effet des sels de déverglaçage.

Dommages créés par d’autres agents de déverglaçage

Le recours aux acétates et formiates (agents dégivrants) provoque une montée brusque du pH de la solution interstitielle des pores. Il en résulte une attaque de la pâte de ciment et du granulat analogue à une réaction alcalisgranulats.

Mesures préventives

Les dégradations dues au gel et aux sels de déverglaçage sont évitées au moyen des mesures liées à la technologie du béton et éventuellement des mesures supplémentaires (bétons à propriétés particulières).


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