Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Les collections de l’Ifsttar Décembre 2020 - page 1 Les collections de l’Ifstta

Les collections de l’Ifsttar Décembre 2020 - page 1 Les collections de l’Ifsttar DIAGNOSTIC DE L’ÉTAT DES MATÉRIAUX BÉTON D1-6 DIAGNOSTIC DE L'ÉTAT DU BÉTON SOUMIS À UNE RÉACTION SULFATIQUE EXTERNE CONTEXTE 1) Les différents types de réaction Les agents chimiquement agressifs peuvent être classés en quatre catégories : −les gaz, les liquides, les solides, les milieux biologiques. C’est toujours l’association de ces agents avec de l’eau (en phase liquide ou vapeur) qui constitue la solution agressive pour le béton. Les solutions agressives rencontrées le plus fréquemment sont les eaux sulfatées (encore appelées eaux séléniteuses), les eaux de mer, les eaux pures et les eaux acides. Les solides les plus agressifs sont les sols gypseux (en présence d’eau). D’un point de vue chimique, les trois types de réactions les plus courantes sont : a) Les réactions entraînant la dissolution des composés de la pâte de ciment. Le béton est un solide poreux qui a un caractère basique très accentué dû à la nature de la pâte de ciment qui renferme entre autres une base forte (la portlandite Ca(OH)2 avec un pH proche de 12,5) et une base faible (les silicates de calcium hydratés notés C-S-H avec un pH proche de 10). Par conséquent pour ce type de réaction dans le béton, il s’agit de la dissolution d’une base forte ou d’une base faible. Pour une base forte, cette dissolution est complète, elle est partielle pour une base faible. La dissolution conduit à une lixiviation plus ou moins prononcée de la chaux des composés de la pâte de ciment durcie provoquant ainsi l’accroissement de la porosité et une destruction progressive du liant (la chaux est le composant qui s’agresse le plus facilement). b) Les réactions d’échange entre le fluide agressif et les constituants de la pâte de ciment durcie. Deux types de réaction d’échanges sont là aussi considérés : −les déplacements des ions calcium Ca²+ en produits insolubles non expansifs (par exemple, l’action des ions carbonate se traduit par la formation de CaCO3) ; −la substitution des ions calcium Ca²+ dans les composés silicates hydratés C-S-H ou dans la portlandite (par exemple, l’action de l’eau de mer contenant des ions Mg2+ se traduit par la formation de MgOH et de M-S-H). Les principales conséquences peuvent être : −une diminution de l’alcalinité ; −un accroissement de la porosité ; −une perte des propriétés liantes de la pâte de ciment ; −la baisse, voire la chute des résistances mécaniques. c) les réactions entraînant la cristallisation de produits expansifs Lorsque la concentration d’une solution dépasse la limite de saturation pour une espèce donnée, des cristaux se forment. Suivant les conditions de sursaturation, la formation de cristaux peut engendrer des pressions suffisantes pour provoquer la fissuration d’un matériau (par exemple, l’action des sulfates sur certaines pâtes de ciment peut générer la formation de cristaux d’ettringite ayant des propriétés expansives). Différents modèles existent pour évaluer les valeurs de pression de cristallisation. La relation de Winkler permet notamment de calculer la pression de cristallisation p d’un sel à partir d’une solution de concentration C, sachant que la saturation est atteinte à une concentration Cs. : p = RT Vs . log C Cs avec R : constante des gaz parfaits T : température en Kelvin Vs : volume molaire du sel Les collections de l’Ifsttar Décembre 2020 - page 2 Nous allons à présent examiner le diagnostic et le pronostic d’évolution du béton soumis aux attaques sulfatiques externes. 2) Mécanismes et modélisation de la réaction sulfatique externe 2.1 ) Mécanisme de dégradations par réaction sulfatique externe La réaction sulfatique est due à l’action des sulfates du milieu extérieur sur les aluminates contenus dans la pâte de ciment ou dans les granulats. Ces sulfates proviennent des milieux suivants : −eau de mer ; −eaux séléniteuses ; −sols gypseux ; −remblais contenant des sulfates (comme certains remblais constitués de schiste houiller) ; −eaux usées conduisant à des attaques par de l’acide sulfurique biogénique ; −sels de déverglaçage contenant des sulfates ; −etc. Cette action se concrétise par la formation d’ettringite qui, en raison de son caractère expansif, peut altérer les caractéristiques mécaniques du béton [1-4]. Dans certains cas d’attaques sulfatiques (dans le cas d’une exposition à une solution à faible pH), il peut se former localement de l’acide sulfurique qui attaque la chaux contenue dans le béton pour former du gypse qui a son tour réagit avec les aluminates de la pâte de ciment pour former de l’ettringite, comme le montre l’exemple suivant : Exemple de l’action d’acide sulfurique : − dissolution de la portlandite H2SO4 + Ca(OH)2 (CaSO4, 2H2O) Acide sulfurique Porlandite Gypse en solution aqueuse - réaction du gypse avec les aluminates de la pâte de ciment 3 (CaSO4, 2H2O) + (3CaO, A12O3, 6H2O) + (20 H2O) 3CaO, A12O3, 3CASO4, 32 H2O ettringite Deux modèles de mécanismes du gonflement ettringitique coexistent : − une expansion globale du gel d’ettringite par absorption d’eau, provoquant des pressions osmotiques ; − une expansion provoquée par la croissance en extrémité des aiguilles d’ettringite et liée à des pressions de cristallisation. À noter que l’oxydation des pyrites (sulfures de fer) contenus dans certains granulats ou la présence de granulats contenant des pyrrothites ou le gâchage de bétons avec de l’eau de mer (opération interdite !) peut amener à une source de sulfates internes au béton qui donneront lieu à des réactions sulfatiques internes avec formation d’ettringite gonflante. Dans certains cas rares, la présence de gypse en quantité importante dans les granulats, ou une pollution de granulats par du plâtre peut provoquer la formation d’ettringite et/ou de thaumasite sous certaines conditions qui présentent des propriétés expansives et aboutit rapidement à un gonflement et/ou un pourrissement du béton. Ces réactions sont des réactions internes et ne sont donc pas l’objet de la présente procédure. 2.2) Mécanismes physico-chimiques de la réaction sulfatique externe La série de réactions chimiques se produisant entre les sulfates et les produits d’hydratation du ciment peut être liée aux endommagements causés par l'attaque sulfatique externe [5]. La formation de produits gonflants et les contraintes internes provoquées par la cristallisation de ces produits sont deux facteurs importants causant de graves conséquences sur le béton pendant cette attaque. Une fois que les ions diffusent à travers les pores du béton, une série de réactions chimiques entre les ions sulfates entrants et le ciment hydraté (phases contenant de l’aluminium et/ou de l’hydroxyde de calcium) se produit dans la matrice cimentaire et provoque une expansion attribuée à la formation de produits expansifs tels que l’ettringite et/ou du gypse. Ces produits entraînent une augmentation globale du volume solide de la pâte de ciment. Au fil du temps, l’attaque devient plus agressive car l’existence de produits de réaction à l’intérieur du matériau peut entraîner des fissures. Par conséquent, la perméabilité de la structure augmente et les ions sulfates peuvent pénétrer à une vitesse et à un volume plus élevés après une fissuration significative. Enfin, on observe une perte des propriétés mécaniques suite à la décalcification des C-S-H, ainsi qu’une perte progressive de masse. Lorsque les sulfates pénètrent à travers une structure en béton, il existe un risque de dissolution de la portlandite (CH) suivi de la décalcification de C-S-H qui permettent d'avoir un excès de calcium dans la solution interstitielle. Ce calcium, en réagissant avec les sulfates, conduit à la formation du gypse qui à son tour réagit avec des sources d’aluminate pour produire de l’ettringite [6] (figure 1). Les collections de l’Ifsttar Décembre 2020 - page 3 Figure 1 : Mécanismes chimiques de l’attaque sulfatique externe [6] 2.3) Influence des caractéristiques du béton Les paramètres pouvant influer sur l’apparition de réactions sulfatiques externes dans un béton sont : −la porosité (rapport E/C) ; −la nature du ciment (il existe des ciments dénommés SR (résistant aux sulfates) conformes à la norme NF EN 197-1, et des ciments dénommés ES conformes à la norme NF P 15-319 qui résistent aux eaux sulfatées) ; −la teneur en chaux et en C3A (3CAO,.Al2O3) −la teneur en aluminates (ils proviennent du C3A et du C4AF du ciment) ; −la nature et le dosage des additions minérales éventuellement présentes ; −la cure du béton ; −les interactions matériau cimentaire/microorganismes dans le cas des milieux biologiques. 2.4) Influence des paramètres extérieurs Il s’agit essentiellement d’évaluer la présence de sulfates dans l’environnement de l’ouvrage. C’est notamment le cas des environnements suivants : −sols riches en sulfates, en gypse, en engrais, etc. ; −environnement industriel ; −pollution par des eaux usées, attaque sulfo-bactérienne ; −eau de mer ; −sels de déverglaçage contenant des sulfates. D’autres facteurs peuvent influencer l’apparition de réaction sulfatique. Il s’agit souvent de facteurs entraînant des désordres dans le matériau béton et diminuant ainsi sa résistance et son aptitude à s’opposer à l’intrusion d’agents agressifs : −fissuration au jeune âge ; −fissuration de fonctionnement ; −expansion due à des gels aboutissant à de la fissuration (alcali-réaction, etc.) ; −faïençage, fissuration, écaillage, épaufrure, etc. À partir des éléments énoncés ci-avant nous pouvons proposer une présentation du béton et de son environnement vis à uploads/Ingenierie_Lourd/ fiched1-6-guide-auscultation-ouvrage-art-cahier-interactif-ifsttar.pdf