HomeGuide pratique du béton8.7 Dégradations dues aux attaques par des sulfates

8.7 Dégradations dues aux attaques par des sulfates

8.7.1 Introduction

L’attaque du béton par des sulfates est un phénomène complexe, mettant en jeu des processus autant chimiques que physiques. Elle peut avoir un effet gonflant ou dissolvant. L’attaque gonflante par des sulfates provoque une expansion du béton (fig. 8.7.1).

Selon l’origine des sulfates, on distingue les attaques de sulfates internes des attaques externes (tab. 8.7.1).

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Fig. 8.7.1: Expansion d’une éprouvette par attaque gonflante de sulfates.



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Tab. 8.7.1: Aperçu des différentes formes d’attaques du béton par des sulfates.

8.7.2 Typologie apparente

Les attaques par des sulfates produisent les dégradations typiques suivantes:
  • précipitation de sulfates et sablage de la surface
  • fissuration et décollements de la surface
  • fissures dans la masse de la structure du béton
  • destruction complète du béton
Précipitation de sulfates et sablage de la surface
Les solutions de sulfates pénétrant depuis l’extérieur jusqu’au coeur du béton réagissent avec la pâte de ciment. La formation des sulfates s’accompagne d’une pression de cristallisation qui mène à un éclatement de la microstructure. A la surface du béton, ceci se traduit par un écaillage et un sablage accompagnés d’efflorescences et de colorations blanchâtres ou jaune brunâtre (fig. 8.7.2).
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Fig. 8.7.2: Colorations et sablage de la surface du béton.
Fissuration et décollement de la surface
L’avancement de la dégradation est lié à une fissuration progressive de la surface du béton. Le front de réaction migre au cours du temps profondément vers l’intérieur du béton. Il en résulte une fissuration caractéristique en réseau et en pelure d’oignon, provoquant des éclatements du béton (fig. 8.7.3).
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Fig. 8.7.3: Fissures et éclatements en surface du béton.

Fissures au sein de la structure du béton
La formation d’ettringite produit une expansion de la pâte de ciment, qui se décolle du granulat. La structure du béton montre un réseau caractéristique de fissures et de décollements qui conduisent à la destruction complète du béton (fig. 8.7.4).
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Fig. 8.7.4: Fissures de décollement entre la pâte de ciment et le granulat.
Destruction complète du béton
La formation de thaumasite, qui se produit principalement sous de basses températures, s’accompagne d’une transformation de la pâte de ciment durcie en une masse molle semblable à une «purée» très friable (fig. 8.7.5).
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Fig. 8.7.5: Destruction complète du béton d’un pieu déterré.


8.7.3 Causes et mesures préventives

Attaque par des sulfates externes

Dans le cas d’une attaque par des sulfates externes, les sulfates peuvent provenir de différentes sources, comme p. ex. de la nappe phréatique et des sols. Les dégâts de sulfates résultants sont très variables dans leur développement et sont classés en trois types de réaction:
  • la formation d’ettringite secondaire
  • la formation de gypse
  • la formation de thaumasite
Formation d’ettringite secondaire
Au contraire de la formation d’ettringite primaire, inoffensive, qui a lieu pendant le durcissement du béton frais, la cristallisation d’ettringite secondaire produit une dégradation. Elle correspond à la réaction des phases d’aluminates de la pâte de ciment durcie, comme p. ex. C3A, C4AF, monosulfate et -carbonate avec les infiltrations de solutions de sulfates dans le béton. La cristallisation de l’ettringite s’accompagne d’une augmentation du volume correspondant à 8 fois le volume des phases originales de la réaction. La réaction conduit donc, dans un premier temps, à une densification de la microstructure du béton et à une montée de la résistance à la compression. Ensuite, la pression de cristallisation provoque une fissuration du béton. Les facteurs importants contribuant à la formation d’ettringite secondaire lors d’une attaque par des sulfates externes sont:
  • un degré différent d’attaque des ions de sulfates, dans l’ordre décroissant: MgSO4, Na2SO4, K2SO4, CaSO4
  • la résistance aux sulfates diminue lorsque la teneur en C3A du clinker de ciment Portland augmente
  • une porosité capillaire élevée du béton favorise l’infiltration des solutions de sulfates et affaiblit sa résistance aux sulfates
Formation de gypse
Une autre réaction expansive due aux sulfates est celle du gypse qui se développe dans le béton lorsque les concentrations en sulfates sont très élevées. Dans ce type de réaction à effet gonflant, l’hydroxyde de calcium de la pâte de ciment réagit avec les ions sulfates de la solution s’infiltrant dans le béton, et forme du gypse. L’occurrence de la cristallisation expansive du gypse est favorisée par les facteurs suivants:
  • une solution à haute concentration en sulfates
  • un apport continu de solutions aqueuses de sulfates même en faible concentration
  • des ciments à haute teneur en clinker
Si des solutions de sulfates de magnésium pénètrent dans le béton, il se forme en plus du gypse et de l’ettringite secondaire, de la brucite (Mg(OH)2). La cristallisation de la brucite renforce l’effet gonflant de l’attaque des sulfates. En outre, elle provoque une baisse de la valeur du pH de manière à déstabiliser les phases CSH de la pâte de ciment. De ce fait, il peut s’ajouter au premier l’effet gonflant une soconde attaque chimique dissolvante.

Formation de Thaumasite
La thaumasite est un composé de sulfate, carbonate et silicate de calcium hydraté (CaSiO3 • CaSO4 • CaCO3 • 15 H2O) qui se forme par réaction des ions sulfates avec les phases CSH de la pâte de ciment en présence de carbonates de calcium (granulat, filler calcaire, pâte de ciment carbonatée) et avec le silicate de calcium (pâte de ciment). Au contraire de la formation de l’ettringite ou du gypse, la réaction n’est accompagnée que d’un faible gonflement et mène surtout à la transformation du béton en une sorte de masse ramollie. Les facteurs importants qui favorisent l’apparition de la thaumasite sont:
  • des températures le plus souvent inférieures à 15° C, de préférence entre environ 5–8° C
  • un apport continu de solutions aqueuses de sulfates même en faible concentration
  • la présence de carbonates de calcium
  • la présence de silicates de calcium
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Fig. 8.7.6: Photo prise par microscopie électronique d’un échantillon de béton ayant subi une dégradation par de la thaumasite. La pâte de ciment est détruite et est devenue poreuse («trous» sombres). Elle est remplacée en partie par des cristaux de thaumasite (reconnaissable par sa cristallisation en aiguilles claires). La destruction de la pâte de ciment conduit à la perte de la résistance du béton.

Attaque par des sulfates internes

Une attaque par des sulfates internes survient lorsque des sulfates sont déjà présents dans les constituants du béton. Les constituants contenant le plus fréquemment des sulfates sont les composés soufrés dans les granulats (anhydrite, gypse, pyrite) et les granulats de gravats mixtes contenant du plâtre ou une eau de gâchage à forte concentration en sulfates. La réaction est identique à celle décrite pour l’attaque par des sulfates externes.

Formation retardée d’ettringite
La formation retardée d’ettringite intervient surtout dans des bétons d’éléments préfabriqués, qui ont été soumis à un traitement thermique entre 60–80° C, ou dans des éléments massifs de béton d’une épaisseur supérieure à 80 cm. Sous des températures élevées (> 60° C) pendant le durcissement du béton, il se forme surtout des monosulfates et -carbonates au lieu de l’ettringite. Dès que le béton est humidifié ultérieurement, ces monophases peuvent réagir de manière différée avec les sulfates disponibles dans la pâte de ciment et former de l’ettringite. Les fissures de décollement le long des bordures du granulat sont caractéristiques de la formation retardée de l’ettringite. L’ouverture des fissures augmente avec le diamètre du granulat (fig. 8.7.7 et 8.7.8).
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Fig. 8.7.7: Fissuration typique par formation retardée d’ettringite.

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Fig. 8.7.8: Dalle en béton fissurée suite à une formation retardée d’ettringite.

Mesures préventives

Les dégâts par des sulfates peuvent être évités par des mesures de technologie du béton et le cas échéant des mesures supplémentaires (béton résistant aux attaques chimiques). Pour la prévention de la formation retardée d’ettringite, il faut veiller à limiter le développement de la chaleur dans le béton en voie de durcissement.


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