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LA CORROSION DES ARMATURES DES BÉTONS ARMÉS ET PRÉCONTRAINTS teCHnoLoGie | NOVE

LA CORROSION DES ARMATURES DES BÉTONS ARMÉS ET PRÉCONTRAINTS teCHnoLoGie | NOVEMBRE 2008 DeSCriPtion Prévention eXeMPLeS De CALCUL De L’éPAiSSeUr D’enroBAGe f2 (L) BB/SfB La corrosion regroupe l’ensemble des phénomènes chimiques et électrochimiques constituant la détérioration de matériaux, en général métalliques, sous l’action du milieu environnant. Il est bien connu que l’acier se dissout en présence d’eau et de nombreuses solutions aqueuses non oxydantes. Cette corrosion est très vive dans les solutions acides et diminue d’intensité au fur et à mesure que le pH de la solution augmente, et devient pratiquemment nulle aux pH voisins de 9 à 13. Pour des pH très élevés, supérieurs à environ 13, les solutions peuvent à nouveau être corrodantes. Une armature dans un béton est protégée par celui-ci tant que le pH reste à une valeur comprise entre 9 et 13. Dans le cas contraire, comme pour un béton carbonaté, la dissolution de l’acier est susceptible de fissurer ou de faire éclater le béton d’enrobage si l’épaisseur ou la qualité de ce dernier n’est pas suffisante. Il s’agit du défaut de durabilité le plus répandu du béton alors que les causes et les moyens de prévention en sont simples et parfaitement connus. Les réparations des dégradations sont toujours délicates et dispendieuses alors que le coût de la durabilité en la matière est négligeable lorsque les mesures sont prises dans les phases de conception, de réalisation et de contrôle du ferraillage des bétons armés et précontraints. 3 Technologie | lA coRRoSion DeS ARMATUReS DeS BÉTonS ARMÉS eT PRÉconTRAinTS DIAgRAMME DE POURBAIX du système Fe-H2O à 25 °C Dans un béton sain (pH de l’ordre de 13 et température de 25 °C), les armatures sont dans un état électrochimique qui empêche la corrosion (immunité ou création d’un fi lm passif). Si le pH descend en dessous d’une valeur limite d’environ 9, la corrosion peut se déclencher selon le potentiel. Un béton sain est donc un milieu protecteur pour les armatures en acier, toute baisse de pH signifi cative va rendre possible une corrosion des aciers. Lorsqu’une armature est placée dans le béton frais, on obtient une combinaison de matériaux favorable à la durabilité. En fait, le béton, grâce à son pH élevé, protège l’acier de sa tendance naturelle à la dégradation en présence d’humidité. La tendance naturelle de l’acier est de se dissoudre dans l’eau. Il s’y produit une oxydation à un endroit (Fe → Fen+ + ne-) de l’élément métallique et une réduction à un autre endroit (O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- en présence d’oxygène et 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 en l’absence d’oxygène). Entre ces 2 endroits, naît une différence de potentiel électrique qui agit comme force motrice. Si les produits formés étaient progressivement éliminés, le processus conduirait à la dissolution complète de l’acier. Heureusement, dans le cas de l’armature entourée par du béton, il y a passivation de l’acier : il s’agit de la création d’une couche protectrice par le dépôt d’oxydes stables. En effet, les réactions principales d’oxydoréduction sont suivies de réactions secondaires de formation des produits de corrosion à la surface du métal : Fen+ + 2OH- → Fe(OH)n 2Fe(OH)n ↔ FexOy + H2O Les oxydes Fe3O4 et Fe2O3 formés à la surface de l’armature ont pour effet de freiner les réactions de dissolution par un effet d’«écran». Ceci se produit pour autant que ces produits soient stables. Ils sont d’autant plus stables qu’ils sont entourés d’hydroxydes – en l’occurrence le Ca(OH)2 du béton – et que le béton sert d’écran aux autres éléments agressifs de l’environnement (ion Cl-…). Nous nous trouvons, ici, avec un béton dont le pH est nettement supérieur à 9. La corrosion des armatures survient lorsque la protection assurée par le béton n’est plus effi cace. Ceci se produit dans les deux cas suivants : • Lorsque le béton qui recouvre l’armature a été carbonaté (réaction du CO2 de l’air avec le Ca(OH)2 du béton ⇒ formation de CaCO3 et baisse du pH à une valeur inférieure à 9), la stabilité de l’écran n’est plus assurée et la dissolution du fer peut se produire. Cette dissolution du fer conduit à la formation de produits de corrosion (rouille) beaucoup plus volumineux que le volume initial de fer. Il en résulte une expansion et un éclatement du béton. L’élimination physique de la couche de protection en béton conduit à un accroissement de la vitesse de corrosion de l’armature. • Lorsque des ions agressifs (comme des chlorures) ont traversé l’épaisseur du béton d’enrobage et entrent en contact avec l’armature. Ces 2 phénomènes responsables de la corrosion des armatures sont expliqués plus en détail ci-après. 1. DeSCriPtion 4 Technologie | LA CORROSION DES ARMATURES DES BÉTONS ARMÉS ET PRÉCONTRAINTS 1.1. La corrosion initiée par la carbonatation a. Processus de carbonatation (phase d’initiation) La réaction du dioxyde de carbone (CO2) issu de l’air avec les substances alcalines du béton s’appelle la carbonatation. La combinaison du dioxyde de carbone avec l’hydroxyde de calcium -l’hydroxyde de calcium encore appelé portlandite est formé lors des réactions d’hydra- tation du ciment- donne lieu à un carbonate de calcium, comme le montre la réaction ci-après : Ca(OH)2 + CO2 H2O → CaCO3 + H2O Cette réaction ne se déroule qu’en milieu aqueux (figure 1). D’abord, il faut que le dioxyde de carbone se dissolve dans l’eau des pores, ce qui entraîne une chute du pH (d’environ 13 à 9). Par cette chute de pH, l’hydroxyde de calcium entre également en solution. Les deux produits réagissent et se précipitent sous la forme de carbonate de calcium. L’humidité relative du milieu environnant qui détermine la teneur en eau du béton est un paramètre fondamental. En effet, pour que le processus se poursuive, il faut un apport de dioxyde de carbone frais. Or, la diffusion du dioxyde se déroule 10.000 fois plus rapidement dans l’air que dans l’eau. L’humidité relative doit donc être suffisamment faible pour que la diffusion du gaz carbonique soit possible mais elle doit aussi être suffisamment importante pour que la réaction de carbonata- tion proprement dite, qui ne peut être réalisée qu’en phase aqueuse, puisse avoir lieu. La vitesse de carbonatation diminue avec le temps. Au fur et à mesure que la zone de carbo- natation (front de carbonatation) progresse, le carbonate de calcium formé colmate progressive- ment les pores du béton. Le CO2 doit parcourir une distance plus longue pour trouver les substances alcalines, et dès lors, le processus se ralentit. La carbonatation est maximale lorsque l’humidité relative se situe entre 40 et 70 %, elle diminue, ensuite, rapidement. La figure 2 donne l’ordre de grandeur de la profondeur de carbonata- tion à laquelle on peut s’attendre en fonction du rapport E/C du béton. Attention, avec un béton mal réalisé, à forte porosité, des profondeurs de carbonatation importantes (30 à 40 mm) sont observées. Un béton constamment immergé dans l’eau ne présentera pour ainsi dire aucune carbonatation ; la résistance de l’eau à la diffusion du dioxyde de carbone est trop élevée. Un béton exposé à un climat intérieur normal présentera une carbonatation rapide mais très superficielle par manque d’eau. En ce qui concerne un béton exposé à un climat extérieur, il faut faire la distinction entre les situations où le béton est, soit abrité de la pluie, soit exposé à celle-ci. Pour la situation extérieure et non abritée, les pores sont régulièrement remplis d’eau, ce qui rend l’apport de dioxyde de carbone plus difficile. Pour la situation extérieure abritée, par contre, le processus de carbonatation se déroule plus rapidement, étant donné que les pores sont rarement saturés. A noter que les silicates (CSH) et les aluminates (CAH) hydratés, ainsi que les composés du clinker sont aussi susceptibles de réagir avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate de calcium. Figure 1 - Processus de carbonatation Figure 2 - Incidence de l’humidité relative de l’air sur la profondeur de carbonatation (courbe 1 : E/C = 0,60 ; courbe 2 : E/C = 0,80) Source : Université d’Hanovre 5 Technologie | LA CORROSION DES ARMATURES DES BÉTONS ARMÉS ET PRÉCONTRAINTS b. Processus de corrosion (phase de propagation) Dans le béton non armé, la carbonatation n’a pas d’influence négative sur la durabilité. Au contraire, la formation de CaCO3 insoluble fait diminuer la porosité. Pour le béton armé, la carbonatation peut être néfaste par l’abaissement du pH. En effet, les substances alcalines disparaissent progres- sivement et l’acier n’est plus protégé. On dit qu’il n’est plus passivé. La question qui se pose alors est de savoir si l’acier va se corroder et, dans l’affirmative, à quelle vitesse. L’acier ne peut se corroder que s’il est mis simultanément en présence d’eau et d’oxygène (figure 3). Dans un béton carbonaté, la probabilité d’une formation de rouille dépend donc des caracté- ristiques de l’environnement. Les armatures d’un béton exposé à un climat intérieur normal ne rouillent pas par manque d’eau. Pour les armatures d’un béton exposé à l’extérieur, la distinction doit être faite entre les 3 situations suivantes qui dépendent du profil d’humidité et du front de uploads/Ingenierie_Lourd/ la-corrosion-des-armatures-des-betons-armes-et-precontraints.pdf