HomeGuide pratique du béton3.10 Protection contre la corrosion de l'armature

3.10 Protection contre la corrosion de l'armature

3.10.1 Epaisseur et qualité du béton d’enrobage

Généralités

Le béton d’enrobage correspond à la couche de béton situé entre l’armature et la surface du béton. Cette couche remplit les fonctions suivantes:
  • assurer la protection de l'armature contre la corrosion
  • assurer une protection de l'armature contre les incendies (résistance au feu)
  • transmettre des forces d’adhérence
La corrosion des armatures est aujourd’hui la cause la plus fréquente de dégâts dans les ouvrages en béton armé (dégradations du béton). La corrosion est initiée par la carbonatation ou par la pénétration des chlorures (sels de déverglaçage). En principe, une distinction est faite entre la phase d’initiation et la phase de corrosion (fig. 3.10.1). La phase d’initiation est fortement influencée par l’épaisseur et la qualité du béton d’enrobage. Par contre la phase de corrosion est essentiellement régie par la résistance électrique du béton, elle-même fortement dépendante de l’humidité et de la température du béton.
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Fig. 3.10.1: Développement schématique des dégradations dans un élément de béton armé.

Epaisseur du béton d’enrobage

Le béton à propriétés spécifiées doit remplir une fonction de protection des barres d’armature dans le cas des classes d’exposition XC et XD. Pour cette raison la norme SIA 262 fixe l’enrobage de l’armature en fonction de la classe d’exposition. On distingue l’enrobage nominal de l’armature cnom de l’écart admissible Δczul. résultant des tolérances d’exécution.
  • cnom: enrobage nominal de l’armature indiquée sur les plans. cnom est la valeur de base à respecter, correspondant aux dimensions des écarteurs et déterminante pour le calcul statique.
  • Δczul.: tolérance dimensionnelle maximale de la valeur de base résultant des tolérances d’exécution (fig. 3.10.2).
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Fig. 3.10.2: Variation de l’enrobage de l’armature. (Source: Technik und Forschung im Betonbau (TFB), Wildegg).

Le tableau 3.10.1 donne l’enrobage nominal de l’acier d’armature passive et de l’acier de précontrainte en fonction de la classe d’exposition selon la norme SIA 262. Les valeurs pour l’enrobage nominal de l’armature après exécution ne doivent pas dépasser les écarts admissibles. Elles sont valables pour une durée de service de 50 ans. Le diamètre maximal du granulat du béton doit être inférieur à l’enrobage nominal.
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Tab. 3.10.1: Enrobage nominal de l’acier d’armature passive et de l’acier de précontrainte en fonction de la classe d’exposition selon la norme SIA 262.

Qualité du béton d’enrobage

La qualité du béton d’enrobage, en premièr lieu son étanchéité vis-à-vis des gaz et des infiltrations d’eau, y compris des sels dissous, est entre autres influencée par:
  • la composition du béton
  • le compactage du béton
  • le type et la durée de cure
  • la forme et les dimensions de l’élément d'ouvrage
  • la densité et la disposition de l’armature
  • le type et la préparation du coffrage
  • la finition de la surface du béton
Suite au coulage du béton, la composition du béton d’enrobage diffère de celui au cœur de l’élément d’ouvrage. La proportion de la pâte de ciment est plus élevée en bordure qu’au coeur du béton. Il en résulte de ce fait, une variation des propriétés du béton dans la section de l’élément considéré. L’étanchéité augmente avec:
  • un rapport E/C bas
  • une faible porosité capillaire
  • l’absence de fissures
  • un coffrage absorbant
  • une cure suffisamment longue et humide

3.10.2 Perte de la protection contre la corrosion due à la carbonatation

Généralités

La carbonatation du béton est le résultat de réactions chimiques entre les composants alcalins de la pâte de ciment durcie et le dioxyde de carbone (CO2). Les réactions n’ont lieu qu’en présence d’eau en quantité suffisante. La carbonatation conduit à un abaissement de la valeur pH de la solution interstitielle initialement > 12.5 à env. 9.0. Sous ces conditions, l’acier d’armature n’est plus passivé dans le béton et peut commencer à se corroder.

La teneur en Ca(OH)2 est décisive pour la capacité de tampon et la réserve d’alcalinité du béton. La valeur pH ne descend pas en dessous de 12.5 tant qu’il y a du Ca(OH)2 soluble dans le béton. Les réserves d’alcalinité varient selon le type de ciment. Dans la pratique, on observe une carbonatation plus rapide dans les bétons avec des ciments CEM II/A-LL et CEM II/B-LL en comparaison avec des bétons à base de ciment CEM I.

On obtient une microstructure plus dense dans le béton par l’emploi de ciments CEM I et CEM II riche en CaO, grâce à la carbona-tation, parce que les carbonates précipitent surtout dans les pores capillaires et provoquent une obturation de ces derniers. En revanche dans les bétons utilisant des ciments composés , p. ex. le ciment CEM III/B, on constate, suite à la carbonatation, un élargissement des pores capillaires et donc une structure à porosité plus grossière (fig. 3.10.3).
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Fig.3.10.3: Microphotos de bétons avec différents ciments à un stade non carbonaté et carbonaté pris au microscope électronique. (Source: Eidgenössische Prüf- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf).

Vitesse de carbonatation

La vitesse d’avancement de la carbonatation dans le béton dépend de divers facteurs:
  • le type et la teneur en ciment
  • le type et la teneur en additions
  • la valeur pH de la solution interstitielle et la teneur en Ca(OH)2
  • la porosité, en particulier la porosité capillaire (rapport E/C)
  • le traitement de cure
  • le degré d’hydratation de la zone de bordure du béton (peau)
La figure 3.10.4 représente schématiquement la vitesse relative de carbonatation et de corrosion en fonction de l’humidité relative de l’air.
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Fig. 3.10.4: Représentation schématique de la vitesse relative de carbonatation et de corrosion en fonction de l’humidité relative de l’air.

La vitesse d’évolution du phénomène de carbonatation est plus élevée avec une humidité relative de l’air (HR) d’environs 55 à 80 %. Un béton complètement saturé ne se carbonate pratiquement pas, puisque la vitesse de diffusion du CO2 dans la solution interstitielle est ralentie d’un facteur de 3 à 4 en comparaison avec un béton peu humide. Au dessous d’une humidité relative de l’air d’env. 40 %, le béton se carbonate à peine, à cause du manque d’eau libre dans le béton, nécessaire à la réaction de carbonatation. La vitesse de corrosion est très faible jusqu’à une humidité relative de l’air de 70 % ; elle augmente soudainement à partir de 85 % HR pour atteindre son maximum à env. 95 % HR, puis retombe quasi à zéro dans le béton saturé, parce que l’oxygène nécessaire à la corrosion de l’acier manque.

Résistance à la carbonatation

L’avancement au cours du temps de la carbonatation est décrit dans la pratique par une loi dépendant de la racine carrée du temps. Elle est présentée par l’équation 3.10.1 sous une forme plus générale:
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Eq. 3.10.1

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Puisque la vitesse d’avancement de la carbonatation sous des conditions naturelles est plutôt faible, un essai de carbonatation accélérée a été développé pour les contrôles de conformité. En Suisse, le coefficient de carbonatation est considéré comme la grandeur de mesure de la résistance à la carbonatation du béton. La carbonatation est accélérée dans une enceinte avec une teneur en CO2 enrichie à 4.0 % vol. de l’air. Les profondeurs de carbonatation sont mesurées à différents intervalles de temps sur les quatre côtés d’une tranche de prisme fendu, dont on calcule la valeur moyenne pour chaque côté (fig. 3.10.5). A partir des quatre profondeurs moyennes de carbonatation, on calcule par régression linéaire la constante A et le coefficient de carbonatation Ks (fig. 3.10.6).
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Fig. 3.10.6: Détermination du coefficient KS (pente de la droite de régression)..



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Fig. 3.10.5: Procédure d’essai pour la mesure de la résistance à la carbonatation.

Le coefficient de carbonatation obtenu par l’essai de carbonatation accélérée Ks est ensuite transformé en un coefficient de carbonatation sous des conditions naturelles KN à l’aide de l’équation 3.10.2. La valeur du coefficient est d’autant plus basse que la résistance à la carbonatation est élevée:
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Eq. 3.10.2
La méthode de mesure de la résistance à la carbonatation du béton est décrite dans l’annexe I de la norme SIA 262/1. Dans le tableau 3.10.2 figurent les valeurs limites de la résistance à la carbonatation selon la norme SIA 262/1 (essai de conformité) et l’épaisseur de l’enrobage nécessaire, tout en considérant deux durées de service, puisque les exigences de la norme SIA 262 relatives à l’épaisseur d’enrobage s’appliquent uniquement pour une durée de service de 50 ans.

L’expérience pratique montre que les valeurs limites de la résistance à la carbonatation ne sont pas respectées avec tous les types de ciment pour le béton de sorte B (classe d’exposition XC3, rapport maximal E/C = 0.60). La figure 3.10.7 illustre la résistance à la carbonatation des bétons de sorte B avec différents types de ciment. La ligne rouge correspond à la valeur limite de la résistance à la carbonatation pour une durée de service de 50 ans selon la norme SN EN 206. Les bétons avec des ciments CEM II/B-LL et CEM III/B dépassent nettement la valeur limite.

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Tab. 3.10.2: Valeurs limites de la résistance à la carbonatation et de l’épaisseur de l’enrobage pour différentes durées de service.

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Fig. 3.10.7: Résistance à la carbonatation des bétons de la sorte B avec différents types de ciment.


3.10.3 Perte de la protection contre la corrosion due aux chlorures

Généralités

Les chlorures, p. ex. les sels de déverglaçage, pénètrent dans le béton jusqu’à l’armature et attaquent la couche passive des aciers, même en présence d’une valeur pH élevée, c.-à-d. aussi dans un béton non carbonaté. Sous un taux d’humidité variable du béton (cycles sec/humide) les chlorures contenus dans les projections d’eau et l’eau de fonte s’infiltrent rapidement dans le béton. Dans les zones proches de la surface, les chlorures peuvent être délavés par les intempéries. Les conditions d’humidité et d’exposition aux intempéries sont donc tout aussi importantes que l’apport de chlorures.

Une attaque par corrosion n’est possible que lorsqu’une certaine concentration de chlorures dans la solution interstitielle est atteinte. Pour la dépassivation, le rapport des chlorures et des ions hydroxyde dissous dans la solution interstitielle est déterminant. Quant aux processus de corrosion dans le béton, ceux-ci ne dépendent pas seulement de la teneur en chlorures, mais aussi de la conductivité électrique du béton (porosité et humidité). De ce fait, il n’existe pas de valeur limite unique pour la teneur critique en chlorures, induisant la corrosion. Une valeur approximative d’env. 0.4 % en masse de la teneur en ciment du béton est admise.

Vitesse de pénétration et liaison des chlorures

Les chlorures peuvent être transportés dans les pores du béton par deux mécanismes différents qui influencent de manière significative la vitesse de pénétration:
  • par diffusion pure dans les pores remplis complètement d’eau
  • par absorption capillaire dans les pores à sec ou remplis partiellement d’eau, c.-à-d. un transport par entraînement des ions dissous dans l’eau absorbée
Le béton est capable de lier les chlorures chimiquement, p. ex. sous forme de sel de Friedel, un monohydrate de chlorures, ou physiquement, p. ex. dans les phases CSH. Le type de liaison peut varier en fonction de la phase hydratée du ciment. Les chlorures se trouvent donc dans le béton sous forme de:
  • chlorures liés chimiquement
  • chlorures adsorbés physiquement ou chimiquement
  • chlorures libres dans la solution interstitielle
Grâce à la fixation des chlorures dans la pâte de ciment, la vitesse de pénétration des chlorures se ralentit d’une part, et la teneur en chlorures libres dans la solution interstitielle se réduit, d’autre part. Pour l’initiation de la corrosion, seule la teneur en chlorures de la solution interstitielle compte. La majeure partie des chlorures est liée pendant les premiers jours. Au cours du temps, le taux de fixation des chlorures diminue. La liaison des chlorures est influencée par les paramètres de technologie du béton et par ceux de l’environnement suivants:
  • le ciment (type, dosage, teneur en C3A, finesse de broyage)
  • l’âge du béton (degré d’hydratation) au premier contact avec les chlorures
  • la carbonatation du béton (stabilité du sel de Fridel)
  • la solution interstitielle (teneur en sulfates et valeur pH)
  • les chlorures (composition et concentration)
  • la température

Résistance aux chlorures

La diffusion des chlorures est un processus très lent qui ne se prête pas comme grandeur à mesurer avec des essais de conformité. Par contre, la dispersion des résultats obtenus en mesurant le transport par entraînement est très grande. De ce fait, un essai pratique accéléré a été choisi. Le principe de mesure repose sur le fait que, sous une tension électrique, les ions chlorure pénètrent plus vite que par pure diffusion dans un béton saturé en eau. La vitesse de migration des ions chlorures est décrite comme un coefficient de migration des chlorures, lequel est considéré en Suisse comme valeur de mesure de la résistance aux chlorures. A la fin de l’essai, la profondeur de pénétration des ions chlorure libres est déterminée à l’aide d’un test de coloration sur une surface fraiche de rupture des éprouvettes fendues (fig. 3.10.8). Le coefficient de migration des chlorures se calcule sur la base de la profondeur de pénétration, et en fonction de la tension appliquée et de la durée de l’essai.

Le coefficient de migration des chlorures est déterminé de manière simplifiée pour une solution 0.2 molaire d’hydroxyde de potassium avec 3 % NaCl comme suit:
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Eq. 3.10.3 et 3.10.4
La méthode de mesure de la résistance aux chlorures du béton est décrite dans l’annexe B de la norme SIA 262/1. La valeur du coefficient est d’autant plus basse que la résistance aux chlorures est élevée. La valeur limite de la résistance aux chlorures est fixée à 10 ∙ 10−12 m2/s pour des bétons de sortes F et G (essai de conformité).

L’expérience pratique montre que la valeur limite de la résistance aux chlorures est généralement respectée pour le béton de sorte F (classe d’exposition XD3, rapport maximal E/C = 0.45) avec tous les ciments admis pour cette classe d’exposition. La figure 3.10.9 illustre la résistance aux chlorures des bétons de la sorte F avec différents types de ciment. La ligne rouge correspond à la valeur limite de la résistance aux chlorures pour une durée de service de 50 ans selon la norme SN EN 206. Les bétons avec des ciments CEM II/B-M (S-T) se situent en comparaison avec les autres ciments nettement en-dessous de la valeur limite.
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Fig. 3.10.9: Résistance aux chlorures des bétons de la sorte F avec différents types de ciment.



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Fig. 3.10.8: Procédure d’essai de la détermination de la résistance aux chlorures.

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