Etude préalable au traitement des parements extérieurs en béton armé de la Cité Radieuse « Le Corbusier » à Marseille

Avec le concours de François Martin, ingénieur au LERM.

Sommaire
	Objet de l'étude
	Présentation de l'ouvrage
	Investigations et essais réalisés sur site
	Essais en laboratoire
	Résultats des essais en laboratoire
	Conclusion : inhibiteurs de corrosion et réalcalinisation

Objet de l'étude
Le LERM a été chargé en novembre 2000 de réaliser une étude préalable au traitement des parements extérieurs en béton armé de la Cité Radieuse « Le Corbusier » à Marseille.
Cette étude avait pour but, outre la caractérisation des matériaux en place, d'identifier et de quantifier les pathologies en présence (carbonatation, pénétration de chlorures et/ou de sulfates), afin de proposer des protocoles de traitements et de réparations adaptés.

Présentation de l'ouvrage
L'immeuble Le Corbusier, situé à Marseille et appelé Cité Radieuse, a été édifié entre 1947 et 1951. Cet ensemble d'habitation est caractérisé par la présence d'un hôtel, d'une rue intérieure bordée de magasins et de bureaux, d'une école maternelle, d'un toit terrasse sur lequel se trouve un bassin pour enfants ainsi que d'un terrain de jeux. Cet immeuble, construit en béton armé (55 000 tonnes) et reposant sur 34 pilotis en béton banché « creux », compte au total 337 appartements du type « appartement-villa » sous forme de duplex. Chaque appartement possède sa propre terrasse.
L'immeuble, constitué de quatre façades orientées Nord, Est, Sud et Ouest, est caractérisé par la présence d'un mur « aveugle » sans ouverture au niveau de la façade Nord : aucun appartement ne donne sur ce côté. Par ailleurs, l'ensemble des appartements sont orientés Ouest-Est et se caractérisent par la présence d'ouvertures (balcon) donnant sur les deux façades.

Les pathologies rencontrées lors de l'investigation sur site
Le béton de ce bâtiment est caractérisé par la présence de nombreuses pathologies de faible gravité localisées sur la structure porteuse (pilotis, poutre et plancher bas du 1er étage) ainsi que sur les façades Ouest, Est et Sud (au niveau des ouvertures des appartements : garde-corps, balcon, larmier, pare-soleil). Ces désordres correspondaient essentiellement à des fissures, à des zones de gonflement du béton et à des épaufrures accompagnées de la mise à nu des armatures.
Par ailleurs, en ce qui concerne les poutres, les pilotis et le plancher bas, le maillage métallique était apparent ce qui traduisait un enrobage des armatures vraisemblablement faible.
De nombreuses zones réparées ont été observées au niveau des pilotis (ragréage à l'aide d'un mortier) ainsi qu'au niveau des terrasses des appartements (purge du béton et application d'un produit passivant de couleur grise ou jaune). Enfin, la façade Nord, constituée d'un mur aveugle correspondant à un plaquage en graviers lavés, ne présente aucun désordre apparent.
En ce qui concerne la corrosion des armatures, aucune exposition ne semblait privilégiée et, globalement, les valeurs les plus élevées ont été mesurées dans les zones les plus dégradées visuellement. Au niveau des pilotis, l'activité de la corrosion semblait plus importante près du sol. Les poutres de la structure porteuse basse présentaient, elles, une activité de corrosion modérée sauf dans les zones fortement fissurées. En hauteur, au niveau des éléments préfabriqués des balcons, la corrosion semblait très active. Certaines valeurs, faibles dans l'absolu, pouvaient être mises en relation avec l'application d'un traitement de passivation, largement visible sur l'ensemble du bâtiment.
Les échantillons prélevés par carottage sous eau proviennent de chacune des zones caractéristiques du site, à savoir : les façades Est, Nord, Ouest et Sud (ouvertures d'appartements : nez de balcon, larmier, garde-corps, pare-soleil), la structure porteuse (pilotis et poutres) et le plancher bas du 1er étage (dalle et voile).

Des prélèvements d'échantillons ont été effectués en divers points de l'édifice :

	Structure porteuse : pilotis et poutres
	Zone technique : plancher bas et voile
	Nez de balcon et/ou larmier et garde-corps des façades Ouest, Est et Sud
	Revêtement façade Nord

Essais en laboratoire
Conformément au programme préétabli, les essais réalisés ont été les suivants :

Examens macroscopiques et mésoscopiques dans le but de décrire de façon détaillée les échantillons de béton, comprenant :
		la profondeur d'enrobage des armatures
		l'aspect de la pâte de ciment
		la répartition et la distribution des granulats,
Evaluation de la profondeur de carbonatation par test à la phénolphtaléine,
Identification de la nature du liant par examen d'une section polie au microscope optique en lumière réfléchie,
Examen au microscope optique en lumière transmise de lames minces dans le but de déterminer la nature pétrographique des granulats, leur état d'altération et de déterminer leur réactivité potentielle vis-à-vis de l'alcali-réaction,
Détermination du dosage en liant hydraulique et de la composition minéralogique quantitative des bétons comprenant les essais suivants  :
analyse chimique de la fraction soluble après attaque acide ménagée dans HNO3 1/50ème   analyse thermogravimétrique sous atmosphère d'azote dans le but de déterminer la teneur en eau attribuable aux hydrates et en CO2 issue des carbonates   détermination des masses volumiques et de la porosité accessible à l'eau selon le mode opératoire recommandé par l'AFPC-AFREM   identification de la nature du liant par examen d'une section polie au microscope optique en lumière réfléchie   calcul informatique de la composition minéralogique du béton et de son dosage en liant hydraulique
Détermination des masses volumiques et de la porosité accessible à l'eau selon le mode opératoire recommandé par l'AFPC-AFREM,
Mise en évidence d'un éventuel gradient de concentration en chlorures en fonction de la profondeur après attaque acide ménagée
Examen au microscope électronique à balayage (MEB) couplé à l'analyse qualitative élémentaire par spectrométrie X à dispersion d'énergie de fractures fraîches afin de caractériser :
		la microstructure des bétons
		la carbonatation
		rechercher d'éventuels signes d'altération d'origine physico-chimique.

Résultats des essais réalisés en laboratoire

Examens macroscopiques des échantillons et estimation de la profondeur de la carbonatation

Deux types de béton ont été mis en évidence dans les échantillons prélevés. L'un est constitué d'une pâte de ciment de couleur claire, microporeuse et d'un mélange granulaire plutôt fin, sub-anguleux et de nature calcaire. L'autre, relativement compact, englobe un mélange granulaire identique au béton précédent mais dont la granulométrie semble plus grossière. Le premier, situé en surface de certains échantillons, est observé dans le cas d'éprouvettes prélevées au niveau des appartements. Le béton de la structure porteuse (pilotis, poutres et plancher bas du 1er étage) est exclusivement fabriqué avec le deuxième ciment.

Les mesures de carbonatation, réalisées par test à la phénolphtaléine, montrent les points suivants :

	la moyenne de l'épaisseur de béton carbonaté est de 30 mm pour l'ensemble du bâtiment, les zones les plus touchées correspondent aux façades (Est, Nord, Ouest et Sud) ainsi qu'au niveau du plancher bas du 1er étage. Dans ces zones, le front de carbonatation atteint en moyenne 40 mm et peut aller jusqu'à 130 mm dans le cas d'un garde-corps d'un balcon en façade Ouest,
	dans le cas des pilotis et des poutres, le front de carbonatation est de l'ordre de 15 à 20 mm

Enfin, les carottages réalisés ont fréquemment recoupé des armatures métalliques. Ces armatures, au vu des profondeurs de carbonatation mises en évidence, étaient localement atteintes, voire dépassées, par le front de carbonatation et présentaient alors des signes nets de corrosion.

Conclusion : inhibiteurs de corrosion et réalcalinisation
Au vu des essais et analyses réalisés, il apparaissait que les bétons constitutifs de la structure de la Cité Radieuse présentaient des désordres de faible ampleur étendus sur l'ensemble du bâtiment, hormis la façade Nord.
Ces désordres semblaient essentiellement en relation avec la carbonatation relativement conséquente de la matrice cimentaire (30 mm en moyenne) et le faible enrobage des armatures métalliques. En effet, le front de carbonatation atteignait et dépassait fréquemment l'épaisseur d'enrobage des fers, provoquant consécutivement à la baisse du pH induite, une dépassivation des armatures et donc le démarrage de leur corrosion. Une production consécutive d'oxydes métalliques gonflants était responsable du foisonnement des armatures et donc de l'éclatement du béton lorsque l'épaisseur d'enrobage était mince.
Ces phénomènes étaient favorisés par la nature même des bétons en place (formulation avec un ciment de type CPA CEM I, porosité plutôt élevée, présence de nids de cailloux).

Les effets de cette carbonatation, dont l'étendue était intrinsèquement liée aux caractéristiques initiales du béton (forte porosité, ciment de type CPA dont l'hydratation est accompagnée par une cristallisation importante de chaux ou portlandite) mais aussi à son âge (50 ans de durée d'exposition),étaient accentués par la conception même du bâtiment.

En effet, le système constructif par voiles minces apparents (cloisons et planchers) jusqu'aux loggias (refends et larmiers) mais aussi d'éléments préfabriqués peu épais (garde corps) autorise une carbonatation par les deux faces opposées, pouvant ainsi atteindre dans le cas des garde corps le coeur du béton. Ces garde corps peuvent donc être totalement carbonatés, avec pour corollaire une dépassivation totale de leurs armatures : leur fixation, selon nous,devait donc faire l'objet de vérifications complémentaires.

Il ressortait de ces constatations que la définition de travaux destinés à enrayer de façon durable la corrosion des armatures des différentes parties du bâtiment devait prendre en compte les critères suivants :

	carbonatation importante du béton, entre 10 et 45 mm de profondeur,
	teneur limitée en ions sulfates et chlorures, globalement en deçà des seuils limites actuels,
	béton poreux (18 à 24 %) et faible enrobage des armatures.

Dans ces conditions, deux choix techniques distincts ont été retenus en concertation avec l'Architecte en chef de Monuments historique (M. Botton) :

• l'application de produits dits inhibiteurs de corrosion à base minérale, sur les garde-corps, larmiers, cloisons, refends et sous-face de plancher technique (sol artificiel) : il s'agit de solutions aqueuses appliquées par imprégnation directe sur le béton, destinées à migrer ensuite dans la masse du béton jusqu'aux armatures. Le principe de fonctionnement est l'obtention d'une concentration minimale du produit au niveau des armatures afin d'inhiber les réactions de corrosion.
  
  
• mise en oeuvre d'un procédé dit de réalcalinisation sur les pilotis, qui tend à augmenter le pH du béton (par augmentation de la concentration en ions OH-) autour des armatures par mise en oeuvre d'un électrolyte dans une pâte appliquée en surface du béton (recouvrant une grille métallique jouant le rôle d'anode).

Vue de la terrasse